При описании свойств керамзита как заполнителя керамзито-бетона следует различать свойства, присущие отдельным зернам керамзита, и свойства, присущие смеси его зерен одной или нескольких фракций.
Форма и поверхность зерен керамзита зависят от технологии его изготовления.
Проведенные исследования показали, что для различных керамзитов открытая пористость может значительно колебаться в зависимости от размеров и формы зерен (табл. 1).
Из таблицы видно, что щебень из аглопорита, полученного обжигом глинистого сырья на спекательной решетке, по объему открытых пор резко отличается от керамзита, полученного путем вспучивания во вращающейся печи. При погружении керамзита в цементное тесто часть открытых пор не заполняется тестом. Это обстоятельство следует учитывать при расчетах составов керамзитобетона.
Структура зерен керамзита в изломе может быть мелкопористой с диаметром пор до 1 мм и крупнопористой с диаметром пор 1 мм и более. Зерно керамзита в изломе, как правило, должно иметь равномерно расположенные пористые ячейки. Каверны и поры различного размера в изломе говорят о нарушении технологии изготовления керамзита.
Часто на поверхности зерен не подвергнутого дроблению керамзита имеются трещины, что говорит о недостатках технологии изготовления керамзита (например, резкое повышение температуры сушки гранул, быстрое охлаждение продукта после обжига, излишняя влажность гранул при обжиге и т. п.).
Как показали опыты, лучшая мелкопористая структура зерен керамзита в изломе получается при шарообразной форме зерен.
Объемный вес зерен керамзита в куске колеблется в больших пределах и зависит от общего объема закрытых и открытых пор в зерне. Как указывалось выше, объем пор регулируется выбором соответствующего сырья для приготовления керамзита и установлением соответствующих технологических параметров его изготовления.
Рис. 1. Зависимость прочности пористых заполнителей от их объемного веса в куске.
1 — керамзит; 2 — бескудниковский керамзит; 3 — шлаковая пемза из Магнитогорска; 4 — керамзит СтройЦНИЛа; 5 — лава туфовая; б — шлак каширский; 7—керамзит СтройЦНИЛа; 8 — керамзит; 9 — шлаковая пемза; 10 — парсуковский керамзит; 12 —пемза анийская; 12 — аглопорит; 13 — пемза литоидная; 14 — лава туфовая; 15 — аглопорит с теплоэлектроцентрали № 9
Условные обозначения:
О — керамзит; ■ — другие пористые заполнители
Учитывая многообразие свойств глинистого сырья, объемный вес керамзита в куске может колебаться от 300 до 1500 кг/м3.
Объемный вес керамзита во многом зависит от температуры обжига и влажности сфероидов, а также от вспучиваемости глиниетого сырья. Например, снижение температуры факела горения в печи с 1360 до 1250° увеличило насыпной вес керамзита, изготовленного из смеси ленинградских глин, с 375 до 950 кг/мг3.
При изменении влажности сфероидов до обжига с 20 до 6% объемный вес в куске керамзита из смеси новоиерусалимских глин и суглинка уменьшился с 1000 до 700 кг/м3.
Объемный вес керамзита в куске является важной характеристикой его как заполнителя бетона, от которой зависят многие свойства керамзита, в том числе объемный вес смеси зерен, объемный вес бекона и т. д.
Установлено, что в большинстве случаев имеется связь между прочностью зерен и их объемным весом в куске. Во многих случаях с увеличением объемного веса в куске соответственно повышается прочность как керамзита, так и других пористых заполнителей.
Объемный вес зерен керамзита в куске равен примерно их объемному насыпному весу, умноженному на коэффициент 1,5—2,2.
В связи с тем что в различных районах страны для приготовления керамзита применяют глины с различным коэффициентом вспучивания, объемный вес в куске зерен керамзита различных заводов колеблется в больших пределах. Средние показатели объемного веса в куске зерен керамзита 20—40 мм следующие:
| Керамзит | Объемный вес в куске в кг/м3 |
| Безымянский (Самара) | 450-500 |
| Батракский (Самарская обл.) | 500-600 |
| Кряжский (то же) | 500-600 |
| Лианозовский (Московская обл.) | 550-750 |
| Бабушкинский (то же) | 450-550 |
| Новомосковский (Тульская обл.) | 450-550 |
| КЖИ-355 (Москва) | 550-650 |
| Серпуховский (Московская обл.) | 550-650 |
| Краснодарский (Краснодар) | 600-700 |
| Бескудниковский (Московская обл.) | 900-1100 |
| Волжский (Волгоградская обл.) | 1150-1250 |
| Дубровский (Ленинградская обл.) | 1100-1200 |
При прочих равных условиях чем зерно керамзита больше, тем меньше объемный вес его в куске.
Исследования показали, что в зависимости от вида и объемного веса зерен керамзита в куске меняется также предельная прочность керамзитобетона. При расходе на 1 мг бетона 0,38. м3 керамзита (в условно плотном теле) и использовании в качестве мелкого заполнителя кварцевого песка предельная прочность при сжатии керамзитобетона (в кубах 10Х 10Х 10 см) составляла от 130 до 500 кг/м3 (табл. 2).
Таблица 2. Предельная прочность керамзитобетона при сжатии в зависимости от объемного веса зерен керамзита в куске (по данным А. И. Ваганова)
| Состав шихты и способ изготовления керамзита (или название его) | Объемный вес зерен керамзита в куске в m/м3 | Объемный вес керамзитобетона в m/м3 | Предельная прочность керамзитобетона при сжатии в кГ/см2 |
| Парсуковский керамзит | 0,52 | 1,54 | 130 |
| Ленинградская глина с 70% пылеватого суглинка | 0,66 | 1,6 | 220 |
| Ленинградская глина | 0,83 | 1,7 | 270 |
| То же | 0.84 | 1,68 | 270 |
| То же, с 30% кембрийской глины | 0,86 | 1,68 | 280 |
| Ленинградская глина (сухой способ) | 1,04 | 1,74 | 400 |
| То же | 1,14 | 1,78 | 340 |
| То же | 1,2 | 1,8 | 300 |
| То же | 1,24 | 1,82 | 400 |
| Бескудниковский керамзит | 1,35 | 1,87 | 270 |
| Кембрийская глина | 1,4 | 1,87 | 500 |
| Ленинградская глина (сухой способ) | 1.4 | 1,9 | 400 |
| Воронцовский керамзит | 1,55 | 1,93 | 380 |
Прочность отдельных зерен керамзита при сжатии оказывает большое влияние на свойства керамзитобетона. Следует, однако, подчеркнуть, что наиболее полное и Практически ценное представление о механических свойствах керамзита может быть получено только при непосредственном Испытании его в бетоне. В этом случае могут быть получены все Основные характеристики, определяющие свойства бетона, приготовленного на данном керамзите. Что же касается других способов оценки прочности зерен керамзита, то они дают весьма Относительные показатели.
В настоящее время нет установившейся методики определения непосредственной прочности отдельных зерен керамзита. Обычно для этой цели из отдельных крупных зерен выпиливают Маленькие кубики и испытывают их на сжатие. В других случаях отдельные зерна сжимают в специальных клещах и определяют усилие, необходимое для его раздавливания. Некоторые Исследователи испытывают зерна с подливкой их цементным тестом или погружают зерна керамзита в образцы из цементного тиста с целью получения для испытания кубиков или восьмерок.
Прочность зерен керамзита во многом зависит от объемного весa керамзита в куске и от методики испытания.
Следует помнить, что часто при испытании выпиленных из зерен керамзита кубов с размером 50 мм отношение предела прочности при сжатии (в кГ/см2) к объемному весу в куске
(в кг/м3) колеблется от 0,12 до 0,18 м и в среднем составляет 0,15 м.
При испытании кубов с размером ребра 20—30 мм указанное отношение прочности к объемному весу составляет 0,05—0,12 или в среднем 0,075, так как показатель прочности при сжатии малых образцов понижается.
Следует подчеркнуть, что на показание прочности выпиленных кубов большое влияние оказывает размер пор. При одном и том же объеме пор в образце большую прочность показывает куб с мелкопористой структурой.
Проведенные исследования показали, что испытание на сжатие отдельных зерен керамзита, предварительно подлитых цементным раствором для получения образца правильной формы, дает большой разброс. Такой же разброс дает испытание на сжатие неподлитых отдельных зерен. Что же касается метода погружения зерен в раствор с целью получения куба определенного размера, то испытание таких образцов не дает четкого представления о прочности зерна керамзита.
Прочность при осевом растяжении выпиленных образцов из зерна керамзита составляет —1/4 - 1/10 его прочности на сжатие. В опытах при средней, прочности на сжатие керамзита (в выпиленных кубах 5х5х5 см) 70 75 кГ/см2 прочность при разрыве составляла лишь 7—10 кГ/см2.
В опытах при одной и той же прочности при растяжении 10 кГ/см2 керамзит имел объемный вес 600 кг/м3, туф 1200 кг/м3, а кирпич — 1900 кг/м3.
Следовательно, по сравнению с другими материалами при одном и том же объемном весе керамзит лучше сопротивляется растягивающим усилиям.
При сравнительных испытаниях анийской пемзы и керамзита на сжатие и растяжение.
При одном и том же объемном весе прочность при сжатии кубов 5x5x5 см и прочность при растяжении образцов восьмерок речением 2X2 см была разная (табл. 3), причем керамзит имел лучшие показатели по прочности при сжатии и растяжении.
Табл. 3. Прочность при сжатии и растяжении анийской пемзы и керамзита
| Заполнитель | Объемный вес в кг/м3 | Предел прочности в кГ/см2 | |||
| в сухом состоянии при | во влажном состоянии при | ||||
| сжатии | растяжении | сжатии | растяжении | ||
| Анийская пемза | 560 | 11,6 | 4,75 | - | 6,62 |
| То же | 590 | 18,4 | 5,55 | 9 | 9,05 |
| Керамзит | 522 | 25,4 | 6 | 34,8 | 7,7 |
| То же | 590 | 27 | 9,5 | 23,9 | 8,8 |
Прочность керамзита из киевских глин на растяжение при испытании в восьмерках из цементного теста не превылет 45 кГ/см2 и в среднем составляет 20 кГ/см2. Объемный вес в куске этого керамзита был равен 900—1200 кг/м3, насыпной объемный вес — 600—700 кг/м3, а предел прочности при сжатии отдельных зерен при их подливке цементным тестом колебался от 100 до 250 кГ/см2.
Рис. 2. Прочность на растяжение при изгибе пористых материалов в зависимости от их прочности при сжатии и от объемного веса (по данным Н. А. Попова).
а — влияние прочности при сжатии заполнителей на прочность на растяжение при изгибе, б — влияние объемного веса заполнителей на прочность на растяжение при изгибе; 1 — пемза; 2 — керамзит; 3 — туф; 4—красный кирпич.
Прочность керамзита на растяжение при изгибе составляет примерно 1/з—l/4 прочности при сжатии и также зависит от объемного веса материала.
По данным Н. А. Попова, при объемном весе керамзита в куске 500 кг/м3 прочность его на растяжение при изгибе равна 10 кГ/см2, а при 1100 кг/м3 — 31 кГ/см2 (рис. 2).
Модуль упругости керамзита при сжатии зависит от его прочности. По данным Н. А. Попова [63], величина Е0 начального модуля упругости керамзита может быть условно связана с прочностью при сжатии призм R из керамзита формулой Е0= 1000R . По другим опытам показатель при R колеблется в пределах 800—1500.
Рис. 3. Кривые деформации в образцах керамзита размером 7X7X21 см
1 — объемным весом (в куске) 845 кг/м3, прочностью на сжатие 88 кГ/см2 и модулем упругости при сжатии 90 000 кГ/см2 ;
2 — объемным весом 945 кг/м3, прочностью при сжатии 107 кГ/см2 и модулем упругости 100 000 кГ/см2;
3 — объемным весом 1075 кг/м2, прочностью при сжатии 131 кГ/см2 и модулем упругости 140 000 кГ/см2
Кривые, характеризующие нарастание деформаций в образцах керамзита различной прочности и объемного веса, приведены на рис. 3.
Таблица 4. Характеристики анийской пемзы, керамзита й туфовой лавы
При объемном весе керамзита 845, 945 и 1075 кг/см3 модуль упругости при сжатии соответственно был равен 90000, 100 000 и 140 000 кГ/см2.
В табл. 4 приведены сравнительные средние физико-механические характеристики анийской пемзы, туфовой лавы и керамзита, где также указаны модули упругости этих материалов.
Из приведенных данных видно, что керамзит по общей порис-гти и модулю упругости близко подходит к природной пемзе | Имеет преимущество по объему замкнутых пор, водопоглоще-ИИЮ, а также по прочности при сжатии и растяжении.
Пользуясь понятием коффициент легкости» kл материала, равного отношению прочности при сжатии в КГ/см2 к объемному весу материала в кг/л, можно оценить испытанные материалы следующим образом:
Таким образом, при одном модуле упругости первым по легкости и прочности является керамзит.
Водопоглощение недробленых зерен керамзита обычно не превышает 25% по весу, а дробленых — 40%. Низший предел водопоглощения равен 5%.
Для конструктивного керамзитожелезобетона желательно применять керамзит с меньшим водопоглощением. Водопоглощение зерен керамзита показывает также объем открытых пор в них. Керамзит с большим водопоглощением часто бывает менее морозостойким. Кроме того, в процессе приготовления и укладки он отсасывает воду из бетонной смеси, тем самым меняя свойства бетона.
Динамика водопоглощения различных пористых материалов приведена на рис. 4. Из этих данных видно, что керамзит имеет наименьшее водопоглощение и, следовательно, наименьший объем открытых пор.
В первые 5 мин. водопоглощение керамзита с объемным весом в куске 1,15 т/м3 составляло до 2% к объему, кирпича — до 20%, а туфа и природной пемзы — до 27%.
Рис. 4. Динамика водопоглощения различных пористых материалов в образцах размером 2,5x2,5x2,5 см
1— пемза; 2 — туф; 3 — красный кирпич; 4 — керамзит тяжелый; 5 — керамзит среднего веса; 6 — керамзит легкий
В первый период сухой керамзит менее интенсивно поглощает влагу, чем немного увлажненный. Кривые водопоглощения керамзита в зависимости от его объемного веса в куске и размера зерен, согласно американским данным, приведены на рис. 5. Из этих данных видно, что водопоглощение керамзита повышается лишь с увеличением размеров зерен до 1,2 мм, а затем падает.
Рис. 5. Динамика водопоглощения керамзита различных фракций и различного объемного веса в куске
— кривые водопоглощения за: 1—3 мин.; 2—15 мин.; 3—30 мин.; 4—1 час.; 5—3 часа; 6—24 часа; 7—4 сут.; 8—7 сут.; 9—14 сут.; 10—21 сут.; 77—28 сут.;
----- кривые объемного веса различных фракций в сухом состоянии
Это связано с уменьшением пористости зерен, хотя их удельная поверхность увеличивается.
Наши опыты показывают, что водопоглощение пористых заполнителей, в том числе и керамзита, зависит от объема открытых пор, и поэтому часто нет связи между объемным насыпным весом отдельных фракций и их водопоглощением (табл. 5).
Табл.5. Водопоглощение пористых заполнителей.
Анализ результатов исследований показывает, что водопоглощение керамзита также мало зависит от объемного веса зерен в куске. При этом фактическое водопоглощение керамзита в бетоне намного меньше, чем при погружении заполнителя в воду.
Так же известно, что в цементном тесте водопоглощение керамзита может быть в 2—3 раза меньше, чем при погружении зерен керамзита в воду.
Что же касается водопоглощения керамзита при его кипячении, то оно по сравнению с водопоглощением при температуре + (18—20°) увеличивается в 2,5—3 раза.
При дроблении керамзитового гравия объемный вес щебня изменяется лишь незначительно, но вместе с тем резко возрастает водопоглощение в связи с увеличением объема открытых пор (табл. 6).
Таблица 6
Водопоглощение керамзита в различных условиях
При сравнении водопоглощения керамзита различного объемного веса до сих пор пользуются показателями, установленными при взвешивании зерен до и после погружения их в воду. При такой методике весовые показатели водопоглощения более благоприятны для тяжелых зерен керамзита. Вот почему в целях более объективного суждения о качестве керамзита в будущем, очевидно, есть смысл выражать водопоглощение по объеему, пользуясь способом определения объема зерен путем их погружения в цементное тесто. При этих условиях может оказаться, что керамзиты различного зернового состава будут иметь одно и то же объемное водопоглощение.
Низкий объемный вес керамзита, а также наличие в нем замкнутых пор способствуют тому, что керамзит с объемным весом в куске до 1000 кг/м3 часто длительное время плавает в воде до тех пор, пока не насытится водой. Это обстоятельство следует особенно учитывать при приготовлении и укладке керамзитобетонной смеси.
Сравнительные данные о водопоглощении керамзита фракций 10—20 мм различных заводов за 1 сутки приведены в табл. 7.
Табл. 8. Водопоглощение зерен керамзита крупностью 10-20 мм
При дальнейшем хранении керамзита в воде в течение 7 суток его водопоглощение увеличивается примерно на 1—2%. Однако у отдельных разновидностей керамзита водопоглощение может повыситься и в 2 раза.
Набухание нормально обожженного керамзита в воде не превышает 10%. Примерно такие же показатели набухания имеют заполнители из анийской пемзы и артикского туфа.
Водоотдача из увлажненного дробленого керамзита происходит весьма медленно. Вместе с тем, влажный дробленый керамзит отдает воду быстрее, чем природная пемза, туф и красный кирпич. По сравнению с дробленым керамзитовым щебнем влажный керамзитовый гравий высыхает медленнее.
Капиллярный подсос керамзита незначителен из-за имеющихся в зернах закрытых пор и благодаря остеклоиному характеру стенок пор, которые плохо смачиваются дой.
Гигроскопичность керамзита низка. При 15-дневном нахождении керамзита с объемам весом в куске 1100 кг/м3 в среде с относительной влажстью воздуха 98% влажность его в первые дни была равна лишь 0,1—0,5% и выше не поднималась. Гигоскопичность керамзита в комнатных условиях не превышает
0,3%.
Морозостойкость зерен керамзита довольно высока. Хорошие сорта керамзита выдерживают более 100 циклов непосредственного замораживания и оттаивания в воде.
Рис. 6. Динамика водоотдачи из различных влажных пористых материалов (образцы размером 2,5X2,5X2,5 см)
1— пемза; 2 — туф; 3 — керамзит легкий; 4 — керамзит среднего веса; 5 — керамзит тяжелый; 5 — красный кирпич.
Плохо обожженный керамзит может разрушиться уже после 10 циклов замораживания. Следует, однако, отметить, что часто Ив неморозостойком керамзите можно получить вполне морозо-стойкий керамзитобетон. Поэтому окончательное суждение о морозостойкости керамзита следует делать по результатам испытания его в бетоне.
Стабильность зерен керамзита проверяется пропариванием их или автоклавной обработкой, а также погружением в воду на 28 суток. При наличии в обожженном керамзите вредных включений, например большого количества свободной извести в виде СаО, зерна при указанных выше испытаниях трескаются и впоследствии вызывают трещины в керамзитобетонных изделиях. При наличии слабообожженных зерен керамзита они после испытания также разрушаются. Стойкие зерна керамзита после пропаривания теряют в весе не более 2%.
Жаростойкость керамзита зависит от исходного сырья и режима его обжига. После нагревания зерен волгоградского керамзита при температуре 800° прочность их на сжатие снизилась всего на 7%. Линейная деформация и коэффициент линейного термического расширения при нагревании волгоградского и бескудниковского керамзитов до температуры 800° приведены на рис. 3.
Как видно из рис. 7, наибольший коэффициент термического расширения испытанных керамзитов наблюдается в интервале 550—650°, при этих температурах он численно равен от 5,5 до 8•10-6. При температуре 800° коэффициент термического расширения керамзита колеблется в пределах от 4,7 до 6,8- 10"6, т. е..
Рис. 7. Линейная деформация и коэффициент линейного расширения керамзита при нагревании до 800° коэффициент термического расширения керамзита колеблется в пределах от 4,7 до 6,8•10-6, т.е он меньше, чем для шамота.
Рис. 7. Линейная деформация и коэффициент линейного расширения керамзита при нагревании до 800°.
а — образцы бескудниковского керамзита; б — образцы волгоградского керамзита;
1—5 метки образцов;
— данные, полученные при первом нагревании,
--- данные, полученные при повторном нагревании
Интересно отметить, что кривые деформации керамзитовых образцов при вторичном их обжиге не совпадают с кривыми первого обжига. Это указывает на то, что при первом нагревании в керамзите протекала огневая усадка.
Введение тонкомолотого керамзита в цементное тесто значительно снижает процент потери в весе цементного камня при прокаливании образцов, так как SiO2 керамзита связывает часть свободной извести, которая выделяется при твердении цемента.
Химический состав керамзита зависит от химического состава исходного глинистого сырья и обычно мало отличается от него. В среднем химический состав керамзита колеблется в следующих пределах:
Минералогический состав керамзита зависит от состава исходного сырья и режима его обжига. В основной своей массе керамзит имеет стекловидное строение с включением частиц кварца, слюды, гематита и других минералогических составляющих, входящих в состав исходного сырья.
В керамзите возможно также наличие кристаллических новообразований, возникших при обжиге и охлаждении глины.
Вредные включения в керамзите могут быть в виде известковых включений (дутиков), щелочей и слабообожженных кусков глины.
Содержание серы в виде S03 и несгоревшего топлива в керамзите обычно не превышает 1% (табл. 8), почему этот показатель и не нормируется.
В готовом керамзите могут находиться соли, способные давать выцветы. Так, пробы керамзита Воронцовского завода содержали
Однако последующие исследования показали, что содержание в керамзите щелочных и фосфорных окислов в указанных пределах на качество керамзитобетона не повлияло.
Табл. 8. Содержание S03, гигроскопичность и стойкость зерен пористых заполнителей при их прокаливании и пропаривании
Гидравлическая активность молотого керамзита приближается к активности цемянок. При нормальном твердении активность молотого керамзита несколько выше, чем у котельных шлаков, и намного меньше, чем у трепела.
При автоклавной обработке образцов имеется возможность ввести в цементное тесто до 50% молотого керамзита, содержащего 56,7% Si02, без снижения прочности бетонных образцов при сжатии. В том случае, если образцы 28 суток хранятся в нормальных условиях, максимально допустимый процент добавки тонкомолотого керамзита снижается до 25.
В табл. 9 приводятся данные, показывающие влияние различных добавок на прочность цементного камня при автоклавной обработке образцов ЗХЗХ ХЗ см при 8 ати по режиму: 3 + 6 + 3 часа, а также при нормальном их хранении в течение 28 суток. Кроме того, в таблице указано количество выделившегося Са(ОН)2 при различных условиях твердения образцов.
Цвет керамзита зависит от исходного сырья и условий его обжига. В какой-то мере цвет характеризует степень обжига исходного глинистого материала.
Цвет керамзита является специфичным для данного керамзитового заполнителя и бывает от светло-желтого до буро-коричневого (шоколадного).
При изломе внутреннее ядро керамзитового зерна имеет другую окраску, нежели наружная поверхность, что связано с различной средой их обжига. У хорошо обожженных зерен керамзита окраска ядра светлее окраски наружной поверхности. При плохом обжиге сердцевина зерен имеет черный или серо-пепельный цвет.
Таблица 9. Влияние вида тонкомолотой добавки на количество выделившегося Са(ОН)2 и на прочность цементного камня, подвергнутого запариванию или твердевшего в нормальных условиях.
Керамзит благодаря своим уникальным свойствоам широко применяется в строительстве и сельском хозяйстве.
