Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Интенсификация процессов твердения силикатных материалов - файл 1.doc


Загрузка...
Интенсификация процессов твердения силикатных материалов
скачать (1550.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1551kb.15.12.2011 12:18скачать

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Введение

5 октября 1880 г. д-р В. Михаэлис получил патент № 14195 на «Способ производства искусственных песчаных камней воздействием пара высокого давления на смесь двугидрата извести или бария или стронция с песком или содержащими кремнекислоту минералами при температурах от 130 до 300° С в пригодных для этого аппаратах». В описании к нему между прочим сказано: «В течение нескольких часов я создаю таким способом гидросиликаты кальция или бария, или стронция и благодаря этому твердый, как камень, воздухо- и водостойкий материал». «Пригодными для этого аппаратами» явились герметически закрываемые автоклавы, в которых и происходит воздействие пара высокого давления на сформованный из смеси гидратной извести и песка сырец.

Суть этого воздействия и роль пара высокого давления, заключается в создании жидкой высокотемпературной среды в порах сырца, обеспечивающей растворние компонентов и их взаимодействие с образованием водных силикатов кальция различного состава.

Таким образом, автоклавная обработка является основным процессом, превращающим механическую смесь разнородных компонентов в химические соединения, связывающие зерна песка в монолит. Однако в те годы, несмотря на большое число проведенных исследований, не было возможности достоверно установить, какие именно соединения и при каких конкретных условиях получаются в процессе автоклавной обработки, проследить кинетику взаимодействия компонентов и определить технические свойства различных гидросиликатов кальция.

Лишь современные методы исследований позволили получить более достоверные данные о механизме образования соединений в процессе автоклавной обработки, размерах и форме новообразований, прочности индивидуальных гидросиликатов, их стойкости при воздействии различных сред.

Автоклавная обработка, как и пропаривание, самая длительная фаза производственного процесса изготовления сборных бетонных и силикатных изделий. Вполне понятны попытки найти способы ускорения и активации процессов твердения силикатных материалов. Резкий скачок, особенно в качестве силикатных изделий, был получен при введении в обычную силикатную, известково-песчаную смесь молотого кварцевого, а затем и полевошпатового песка или реакционноспособных отходов стекловидного строения. Это вызвало к жизни новый автоклавный материал – силикатный бетон плотной, пористой и ячеистой структуры и появление крупноразмерных армированных силикатных изделий. Теперь надо было интенсифицировать твердение силикатного бетона.

1 Интенсификация процессов твердения силикатных материалов

1.1 Теоретические основы и кинетика твердения силикатных материалов

Существует несколько теорий, объясняющих твердение вяжущих материалов. Ле Шателье считал, что в процессе твердения последовательно происходят растворение исходных компонентов, их реакция в водном растворе и выделение кристаллов в виде сростка из этого раствора, являющегося пересыщенным по отношению к новообразованиям. Михаэлис полагал, что при гидратации вяжущих образуются гели, состоящие из частичек гидросиликатов кальция коллоидных размеров, облекающих зерна цемента и связывающих их в одно целое. В дальнейшем происходит медленная перекристаллизация этих частичек с образованием более крупных кристаллов.

По А. А. Байкову, процесс гидратации вяжущих протекает в несколько периодов: I период – растворение вяжущего в воде до тех пор, пока не получится насыщенный раствор; II период – присоединение воды к вяжущему, минуя его растворение (которое невозможно в пересыщенном растворе), и получение в твердом состоянии гидрата, состоящего из тончайших частичек коллоидального строения; III период перекристаллизация – переход гелевидных продуктов реакции из коллоидального состояния в кристаллический сросток вследствие меньшей растворимости хорошо оформленных более крупных кристаллов.

Если в период коллоидации получается нерастворимый в воде гель водного однокальциевого силиката, то он сохраняется в течение весьма долгого времени. Плотность и механическая прочность геля увеличиваются по мере повышения в нем количества твердого вещества. Примером может служить опал, представляющий собой гель кремнезема, содержащий 10–15% воды.

При рассмотрении приведенных теорий твердения вяжущих веществ применительно к силикатному кирпичу необходимо учитывать, что основная разница между твердением затворенных водой гипса, цемента и подобных вяжущих и твердением известково-кремнеземистых материалов заключается в том, что в первом случае происходит присоединение воды к исходному вяжущему – его гидратация, а во втором случае уже гидратированная ранее окись кальция вступает в реакцию с находящимся вне ее кремнеземом.

А. В. Волженский считает, что гидрат окиси кальция, растворенный в воде, которая находится в порах известково-песчаных изделий, почти полностью диссоциирует на ионы кальция Са2+ и (ОН). Ионы (ОН) гидратируют поверхность инертных зерен кремнезема и делают их способными к последующим реакциям с ионом Са2+, взаимодействие которого с гидратированными молекулами кремнекислоты приводит к образованию малорастворимых силикатов кальция выпадающих в виде коллоидальных осадков [1]. Они возникают на поверхности песчинок, которые растут в объеме (набухают) за счет образования на границе соприкосновения песчинок и раствора извести все новых слоев гидросиликатов кальция.

Наличие водной среды и высокой температуры создает условия для постепенного перехода коллоидальных осадков в мелкокристаллические образования, размер которых зависит от растворимости соответствующих веществ в воде и длительности термической обработки. Однако в реальных условиях взаимодействие компонентов вяжущего с водой, по мнению А. В. Волженского, должно протекать одновременно с присоединением воды к твердой фазе, т. е. по схеме Байкова, и через водную фазу с растворением вяжущего, т. е. по схеме Михаэлиса и Ле Шателье. При этом предпосылок к прямому присоединению воды к твердой фазе тем больше, чем активнее вяжущее при взаимодействии с водой, чем больше внешняя и внутренняя поверхность его частичек, чем меньше воды в смеси, чем выше температура реагирующей смеси.

Ю. М. Бутт и Л. Н. Рашкович придерживаются другой теории [2]. По их мнению, исходные компоненты известково-песчаной смеси растворяются в жидкой фазе, всегда заполняющей поры изделия вследствие капиллярной конденсации воды. Образуется раствор, содержащий ноны кальция и ионы кремневых кислот. Между растворенными частицами возникает реакция с образованием тех или иных гидросиликатов кальция. Вследствие их малой растворимости раствор по отношению к ним всегда оказывается пересыщенным, поэтому гидросиликаты выкристаллизовываются из раствора.

И. А. Хинт полагает, что взаимодействие между известью и кварцем протекает в твердой фазе, когда молекулы извести и кремнезема взаимно диффундируют друг в друга, что возможно, так как реагирующие компоненты окружены водой, обладающей значительной полярностью [3]. В то же время он считает, что вяжущее до начала выпуска пара из автоклава находится в коллоидном состоянии.

С. Гринберг и Ю. Г. Штернберг считают, что ноны кальция из раствора гидрата окиси кальция адсорбируются в виде мономолекулярного слоя на поверхности кремнезема, содержащего воду (например, кремнегеля), и вступают с ним в реакцию, образуя гидросиликаты типа СSН(В) в результате хемосорбции. Однако авторы проводили исследования только при низких температурах (до 82 °С) на кремнеземистых водных гелях, обладающих очень большой удельной поверхностью.

Имеется большое число экспериментальных данных, подтверждающих ту или иную точку зрения на механизм образования цементирующей связки при автоклавном твердении силикатных материалов. Так, опыты, проведенные И. А. Хинтом, показали; что взаимодействие между спрессованными слоями извести и песка происходит лишь на месте их контакта на глубину менее 200 мкм. Это, по его мнению, свидетельствует о том, что реакция между компонентами протёкает не в растворе, которым заполнены поры сырца. Аналогичные опыты, проведенные Ю. М. Буттом и Л. Н. Рашковичем, подтвердили, что на стыке прессованных слоев извести и песка гидросиликатов мало, а на открытой боковой поверхности образца – большой слой новообразований. Авторы объясняют это высокой плотностью и недостатком жидкой фазы во внутренней части прессованных образцов, тогда как на их внешней поверхности имеется достаточно влаги.

Б. Н. Виноградов на основании анализа микроснимков образцов, изготовленных из известково-кремнеземистого вяжущего, определил, что при их автоклавном твердении пути переноса ионов (молекул) весьма малы и не превышают 30–50 мкм [4].

С. А. Кржеминсквй, Н. К. Судина, Л. А. Кройчук и В. П. Варламов, исследовавшие состав жидкой фазы известково-кварцевых суспензий, выявили кинетику изменения содержания растворенных в ней окиси кальция и кремнезема в зависимости от их дисперсности, начального состава и длительности автоклавной обработки (рис.1).



Рисунок 1 – Изменение содержания CaO и SiO2 в жидкой фазе в зависимости от С/S, удельной поверхности кремнезема Sк и длительности автоклавной обработки при 175 0С

а – вяжущее С/S=0,3; ––––– при Sк =1000 см2/г; – – – при Sк =2000 см2/г; б – вяжущее С/S=1 при Sк=2000 см2/г; в – вяжущее С/S=2; ––––– при Sк =4000 см2/г; – – – при Sк =2000 см2/г; г – смесь примерно 29% вяжущего С/S=1 с 80% кварцевого песка; ––––– при Sк =4000 см2/г; – – – при Sк =2000 см2/г; д – концентрация в жидкой фазе отдельно растворенных СаО и SiО2 ; –––––при Sк =2000 см2/г; – – – при Sк =1000 см2/г;1 – содержание СаО; 2 – содержание SiО2
Из рисунка 1 видно следующее:

1) содержание СаО в растворе вначале резко падает, затем снижается более медленно и, наконец, остается на постоянном уровне, который повышается по мере возрастания С/S в исходной смеси вяжущего;

2) содержание Si02 в растворе в первые 1–1,5 ч автоклавной обработки близко к нулю, затем оно поднимается до постоянного уровня, который обусловлен для низкоосновных смесей (рисунок 1, а) значением удельной поверхности кремнезема и его растворимостью в воде без извести (рисунок 1, д). В высокоосновных смесях (С/S= 1–2) концентрация Si02 в растворе весьма мала – около 0,02 г/л и не зависит от удельной поверхности кремнезема;

3) соотношение между содержанием СаО и Si02 в растворе для смесей, в которых удельная поверхность кремнезема равна 2000 см2/г, составляет после достижения постоянной концентрации при С/S=2 около 7, тогда как для смесей, состоящих примерно из 20% вяжущего (С/S=1) и 80% немолотого песка, оно равно 3;

4) полное связывание извести в смесях, состоящих только из вяжущего, продолжается 2–4 ч, а в смесях, содержащих около 80% немолотого песка, оно не достигается и за 20 ч.

В исследованиях плотных образцов, полученных из реальных смесей, состоящих из 25% вяжущего различного состава и 75% немолотого песка, найдено, что после твердения в течение 8 ч при 175 °С состав гидросиликатов цементирующей связки зависит от С/S в вяжущем и удельной поверхности в нем кремнезема (рисунке 3). На схематическом рисунке 2 показано, что при С/S=0,25 и всех опробованных нами значениях удельной поверхности кварца в цементирующей связке образцов содержится только ннзкоосновный гидросиликат кальция СSH(I).


Рисунок 2 – Влияние основности вяжущего и удельной поверхности молотого кварца на состав новообразований силикатных образцов:

1 – 2000 см2/г; 2 – 2500 см2/г; 3 – 3000 см2/г;
При С/S=О,4–0,75 в связке представлена смесь СSН(I) и гидрата α-С2S, а при С/S=1 и выше присутствует только высокоосновный гидрат α-С2S что, за исключением составов вяжущего С/S=0,4–1, согласуется с приведенными выше данными, полученными при исследовании твердой фазы суспензий [6].


Рисунок 3 – Термограммы цементирующей связки силикатных образцов различного состава при Sк=2000 см2/г: 1 – С/S=0,25; 2 – С/S=0,4; 3 – С/S=0,5; 4 – С/S=1; 5 – С/S=2; Sк =2500 см2/г: 6– С/S=0,25; 7 – С/S=0,55; 8 – С/S=1; 9 – С/S=2; при Sк= 3000 см2/г: 10 – С/S=0,75; 11 – С/S=1;
Все указанное свидетельствует об образовании в результате автоклавной обработки различных гидросиликатов кальция, однако это еще не подтверждает гипотезы о том, что их образование идет только через раствор, а состав гидросиликатов соответствует соотношению растворенных в жидкой фазе окиси кальция и кремнекислоты. Так, например, при удельной поверхности кремнезема 2000 см2/г и С/S=0,З (см. рисунок 1, а) в течение более 1 ч от начала изотермической выдержки отношение СаО/SiО2 в растворе составляет 20–7, а образуется только низкоосновный СSН(I); при С/S=1 (см. рисунок 1, б) после 4 ч изотермической выдержки отношение СаО/SiО2 в растворе составляет около 4, а в это время прекращается образование гидрата α-С2S и кристаллизуется низкоосновный тоберморит; лишь при С/S=2 из жидкой фазы, в которой преобладает СаО, с самого начала кристаллизуется высокоосновный гидрат α-С2S, который далее не меняется.



Рисунок 4 – Влияние удельного давления прессования на прочность силикатных образцов, запаренных при различном давлении пара (числа на кривых, МПа)

Рисунок 5 – кинетика твердения силикатных образцов различной основности в зависимости от дисперсности кварца



Если же принять утверждение о том, что в жидкую фазу поступает столько СаО и SiО2, сколько в отдельности каждого из них может раствориться в воде (см. рисунок 1, д), то и при этом уже через 1 ч от начала изотермической выдержки отношение между СаО и SiО2, поступающими в раствор, во всех случаях должно составлять примерно 0,6, тогда как при С/S=2 в действительности образуются только высокоосновные гидросиликаты кальция [5].

Следует подчеркнуть, что такое несоответствие имелось даже при автоклавной обработке суспензий с В/Т=40, которые все время перемешивались. Естественно, что при запаривании плотных силикатных образцрв, в которых В/Т≈0,06, условия для растворения компонентов и циркуляции жидкой фазы совершенно иные. Известно также, что при повышении плотности таких образцов их прочность повышается, хотя пористость и влажность уменьшаются. На рисунке 4 приведены данные Ледюка о прочности прессованных при различном удельном давлении известково-кремнеземистых образцов, запаренных в течение 8 ч при разном давлении. При повышении удельного давления прессования, очевидно, увеличивается число контактов внутри образца и уменьшается толщина прослоек цементирующей связки, прочность которой возрастает, хотя количество влаги уменьшается, а ее циркуляция внутри образцов весьма затруднена [6].



Рисунок 6 – Кинетика связывания извести при различной дисперсности кварца: 1 – удельная поверхность кварца 1000 см2/г; 2 – то же, 1500 см2/г; 3 – то же, 2000 см2

Рисунок 7 – прочность образцов, изготовленных из смесей различных составов: 1 – песок S=164 см2/г и 7% активной СаО; 2 –песок S=400 см2/г и 13% активной СаО;


Кинетика твердения силикатного кирпича, имеющая большое практическое значение, может быть охарактеризована скоростью связывания извести и изменением прочности в процессе запаривания. Ю. М. Бутт и А. А. Майер, исследовавшие кинетику твердения прессованных образцов из смесей гидрата окиси кальция и кварцевой муки узких фракций при различных С/S, нашли, что скорость связывания извести зависит от дисперсности кварца и от С/S. Из рисунка 5 видно, что чем мельче кварцевая мука и чем меньше С/S, тем быстрее связывается известь. Прочность образцов растет примерно до связывания основного количества извести, которое может быть усвоено при данном С/S, а в дальнейшем она меняется мало. С чистыми полевошпатовыми минералами, а также их смесью с кварцем, по данным этих же авторов, известь связывается медленнее, чем с чистым кварцем, вследствие чего приходится удлинять их изотермическую выдержку [6].

Аналогичную картину кинетики связывания извести при различной удельной поверхности кварца, но с одинаковым С/S=0,3 (рисунок 7), получили Н. К. Судина, С. А. Кржеминский и А. Н. Сидорова. Интересные результаты получены также
И. А. Хинтом, испытывавшим непосредственно в автоклаве прочность на сжатие прессованных образцов из смеси природного или грубомолотого песка с гашеной известью при активности по СаО соответственно 7 и 13% Здесь, как видно из рисунка 7, характер нарастания прочности образцов несколько иной, чем на рисунок 5, что объясняется, видимо, разным составом смесей. Интересно, что в обоих случаях образцы к началу изотермической выдержки обладали довольно высокой прочностью: изготовленные из вяжущего – 8–20 МПа из обычных смесей даже через 1 ч от начала впуска нара – 3–6 МПа.

Бесси нашел, что в образцах, изготовленных из 10% гидратной извести и 90% дробленого кварца, количество прореагировавшего кремнезема после подъем а давления пара за 1 ч до 1,07 МПа через 15 мин превышало половину его количества, вступающего в реакцию при длительном запаривании.

Поверхность кварца при тонком помоле аморфизируется и обладает даже при низких температурах значительной растворимостью, которая, по данным Б. Н. Виноградова, достигает примерно 0,07 г/л при 25 °С и примерно 0,25 г/л при 99 °С. Он также указывает, что в кварце промышленного помола может содержаться 0,I5–0,2% аморфной кремнекислоты. Растворимость кварца различной дисперсности и извести показана на рисунке 8 (по разным данным).


Рисунок 8 – Растворимость компонентов смеси: 1 – СаО; 2 – аморфного SiO2; 3 – кварца молотого до удельной поверхности 2–3 тыс. см2/г; 4 – кварцевого песка
З. М. Хаимский, Ю. М. Бутт и Я. М. Белкин нашли, что в силикатных образцах, содержащих помимо немолотого песка по 10% тонкомолотого кварца и гидратной извести, через 1 ч после впуска пара в автоклав к началу изотермической выдержки связывалось около 25% Са(ОН)2 и образовался высокоосновный гидросиликат С2SН(А). Следовательно, можно считать установленным, что известь и дисперсный кварц энергично взаимодействуют уже в период подъема температуры в автоклаве [2, 7].

Рентгеноскопические исследования, проведенные Ю. М. Буттом и др., показали, что при нагреве известково-кремнеземистых образцов из смесей С/S = 0,3 до 120° С обнаруживаются только линии кристаллических фаз Са(ОН)2 и SiО2. По данным Я. М. Белкина и др., исследовавших кинетику связывания извести на силикатных образцах, содержащих около 18% вяжущего С/S=1 и около 25% С/S=0,5, за 1 ч при 100 °С связывается с кремнеземом примерно 1%, а при 150 °С – 2,8–3,4% содержащейся в образцах извести. Очевидно, эти новообразования находятся в аморфном виде, так как они не обнаруживаются рентгеноскопически.

Таким образом, можно согласиться с точкой зрения С. А. Кржеминского о том, что на самой первой стадии автоклавной обработки известково-кремнеземистых материалов образование цементирующего вещества обусловлено, по-видимому, адсорбционными процессами. При взаимодействии насыщенного раствора извести и кремнезема в условиях повышенной температуры сначала образуются адсорбционные системы (комплексы), переходящие в дальнейшем в гидросиликаты кальция, характеризующиеся наибольшей возможной в данных условиях основностью.

Очевидно, именно адсорбционные системы придают в этот период некоторую дополнительную прочность сырцу, а не перекристаллизация извести, как полагает
Б. Н. Виноградов. Если бы перекристаллизация извести играла заметную роль, то прочность запаренных образцов, изготовленных из 10% гидрата окиси кальция и 90% грубомолотого известняка (когда никаких гидросиликатов кальция не могло возникнуть), повысилась бы по сравнению с прочностью свежесформованного сырца, тогда как фактически она получилась одинаковой. В дальнейшем процессе автоклавной обработки должны сочетаться хемосорбционный и кристаллизационный (через раствор) механизмы твердения и, наконец, когда свяжется вся известь, превращение более высокоосновных гидросиликатов кальция в низкоосновные может идти только путем растворения и перекристаллизации. Как пойдет процесс твердения, зависит от конкретных физико-химических условий автоклавной обработки силикатных материалов [6].

1.2 Оптимальные температуры запаривания силикатного кирпича

В дальнейшем оптимальными будут считаться такие параметры автоклавной обработки, которые при наименьших затратах вяжущего (главным образом, извести) и коротких циклах запаривания обеспечивают получение кирпича необходимой прочности. С. А. Кржеминский установил, что прочность силикатных образцов вначале непрерывно растет с увеличением длительности автоклавной обработки до известного максимума, определяемого температурой процесса и свойствами известково-песчаной смеси. Затем при дальнейшем запаривании прочность образцов и их плотность параллельно несколько раз понижаются и повышаются, что автор объясняет быстрым переходом гидросиликатов высокой основности в менее основные, обладающие иной структурой и плотностью.

Исследования, проведенные С. А. Кржеминским и др., показали, что полное связывание извести в образцах, изготовленных из немолотого песка и 8% активной СаО, происходит за ⅔ времени, необходимого для достижения первого максимума прочности при различных температурах, а скорость твердения значительно возрастает с увеличением давления запаривания до 1,6 МПа. Именно поэтому за рубежом, где не используют молотый кварц, применяют автоклавы, работающие при 1,6 МПа. Но при использовании тонкомолотого известково-кремнеземистого вяжущего картина меняется. Так, по данным Ю. М. Бутта и др., исследовавших влияние температуры запаривания на прочность образцов, содержащих (помимо немолотого песка и 7% активной СаО) 10% молотого кварца, повышение давления более 1,2 МПа нецелесообразно, а при 1,6 МПа наблюдается даже снижение прочности [2]. Я. М. Белкин и др., изучая кинетику связывания извести при С/S в вяжущем, равном 1 и 0,5, и содержании вяжущего в силикатной смеси соответственно 17 и 25%, нашли, что при 175 °С известь связалась за 7–10 ч, при 191 °С – за 4–5 ч и при 203 °С – за 3,5–4 ч (меньшие сроки относятся к составам, где С/S=0,5, а большие – где С/S=1) [7]. Авторы пришли к выводу, что эффективность повышения температуры автоклавной обработки выше 191 °С (1,2 МПа) резко снижается, а значение молотого кремнезема как интенсификатора твердения также резко уменьшается.



Рисунок 9 – Кинетика твердения силикатных прессованных образцов при различных температурах и содержании вяжущего: а – мелкий остроугольный песок; б – средний окатанный песок; I – 0,8 МПа (175оС); II – 1,2 МПа (191оС ); III – 1,6 МПа (203оС); 1 –содержание вяжущего – 20%; 2 – то же, 15%; 3 – то же, 10%; –––– И:К=1:1; – – – И:К=1,5:1
На рисунке 9 показаны результаты экспериментов Р. Л. Коваля по запариванию при различных давлениях прессованных силикатных образцов, изготовленных из мелкого остроугольного и среднего окатанного песков, содержавших 10–20% совместно молотого известково-кремнеземистого вяжущего составов И:К=1:1 (С/S =0,65) и И:К=1,5:1 (С/S=1). Из них можно сделать несколько практических выводов:

1) наибольшая прочность образцов достигается при 1750 °С за 6 ч, при 191 °С за 4–5 ч, а при 203 °С за 4 ч;

2) прочность образцов, запаренных при 0,8 и 1,2 МПа, примерно одинакова, тогда как при 1,6 МПа она значительно ниже;

3) при содержании в силикатной смеси тонкомолотого вяжущего оптимального состава (И:К – 1:1) нецелесообразно запаривать кирпич при 0,8 МПа более 6 ч, так как это приводит к падению прочности, которая в большинстве случаев даже ниже, чем при 4 ч выдержке; прочность образцов на вяжущем состава И:К=1:1 во всех случаях выше, чем на вяжущем состава И:К=1,5:1, за исключением образцов из среднего окатанного песка, запаренных при 1,6 МПа, у которых при этом вяжущем прочность несколько выше.

Таким образом, все проведенные исследования подтверждают, что оптимальным давлением пара, при котором следует запаривать силикатный кирпич, изготовленный с использованием тонкомолотого известковокремнеземистого вяжущего, является 1,2 МПа (191 °С). Изотермическая выдержка кирпича при этом давлении может составлять 4–5 ч. Заданная прочность достигается назначением соответствующего расхода вяжущего оптимального состава [7].

Следует подчеркнуть, что масса автоклава, рассчитанного на рабочее давление 1,2 МПа, на 30% меньше, чем автоклава, работающего при 1,6 МПа, и требования по технике безопасности также ниже. Наряду с этим время нагрева и остывания, по требованиям техники безопасности, при 1,6 МПа увеличивается.

1.3. Ускорение и активация процессов твердения силикатных бетонов

Самой длительной фазой производственного процесса изготовления сборных бетонных и силикатных изделий является автоклавная обработка. Поэтому поиск новых способов интенсификации процессов твердения силикатных материалов очень важен.

Резкий скачок, особенно в качестве силикатных изделий, был получен при введении в обычную силикатную, известково-песчаную смесь молотого кварцевого, а затем и полевошпатового песка или реакционноспособных отходов стекловидного строения – зол, шлаков и др. Это вызвало к жизни новый автоклавный материал – силикатный бетон плотной, пористой и ячеистой структуры и появление крупноразмерных армированных силикатных изделий. Теперь надо было интенсифицировать твердение силикатного бетона.

Для этой цели было предложено вводить добавки растворимых солей – электролитов. Они улучшают качество силикатобетонных изделий, особенно при использовании известково-кремнеземистого вяжущего – магнезиальной извести, снижающей активность вяжущего. Положительная роль растворимых добавок была установлена многими исследованиями.



Рисунок 10 – Зависимость прочности образцов на сжатие от удельной поверхности песка в смеси. Режимы автоклавной обработки: 1 – 2+8+2 ч (контрольный); 2 – 2+6+2 ч; 3 – 2+4+2 ч; 4 – 2+2+2 ч; 5 и– 2+0+2 ч

Предлагались добавки – кристаллические затравки в виде измельченных отходов производства или специально синтезированных гидросиликатов кальция. Однако этот вопрос требует дальнейшего изучения [8].

Одним из направлений интенсификации автоклавной обработки является применение пара более высокого давления (до 4–5 МПа), предложенное проф. П. И. Боженовым и его сотрудниками. Но в этом отношении нет единого мнения. Некоторое повышение давления пара положительно влияет па прочность силикатного бетона, одновременно сокращается длительность автоклавной обработки. По другим данным, повышение давления пара сверх 1,18 МПа не дает заметного преимущества и вместе с тем экономически не оправдывает себя. Мы считаем целесообразным повышение давления пара до 1,18–1,57 МПа для автоклавной обработки силикатного бетона на известково-кремнеземистом вяжущем.

Результаты опытов Б. Н. Виноградова и В. В. Телегиной (ВНИИСтром), приведенные на рисунке 10, показывают, что, повышая «удельную поверхность взаимодействия» (т. е. величину удельной поверхности кремнеземистого компонента, приходящуюся на 1% активный СаО в смеси), можно получать силикатный бетон определенной прочности при сокращенной длительности изотермической выдержки (4,2 ч) вместо более длительной – контрольной (8 ч). дальнейшее сокращение (до 2 ч) или полное исключение изотермической выдержки не позволяет получить такую же прочность силикатного бетона даже при увеличении удельной поверхности взаимодействия до 100 м2/кг на 1% СаО. По-видимому, необходимо повышение активности смеси [4].

Дальнейшие опыты показали возможность получения равнопрочного бетона при режимах 2+8+2, 2+6+2, 2+4+2, 2+2+2 ч. При режиме 2+0+2 ч прочность бетона на сжатие была на 15% меньше, но вместе с тем прочность при изгибе и растяжении оказалась в этом случае выше. Деформации усадки и ползучести, а также модули упругости силикатных бетонов равной прочности, полученных при разной изотермической выдержке (от 3 до 8 ч), оказались примерно одинаковыми.

Фазовый анализ показал, что ин в одном из образцов, запаренных при разной изотермической выдержке, не обнаружено кристаллов С2SН (А). Цементирующее вещество состоит в основном из низкоосновных гидросиликатов типа СSН (В) и тоберморита (при изотермической выдержке 4–8 ч). Таким образом, для интенсификации процесса автоклавного твердения силикатобетонных изделий необходимо обеспечивать одностадийную кристаллизацию волокнистых гидросиликатов кальция, а этого можно достигнуть, подбирая оптимальное соотношение удельной поверхности кремнеземистого компонента и активности смеси.

Таблица 1 – Примерные составы смеси для получения плотного мелкозернистого силикатного бетона марки 250

Песок

Цикл запаривания в ч

Активная СаО в %

Суммарное количество молотых извести и песка в смеси в %

В том числе молотого песка в смеси в %

Удельная поверхность молотого песка в м2/кг не менее

в смеси

в вяжущем

Крупный, Мк=2,4–2,65

2–8–2

2–4–2

2–2–2

6–6,5

6,5–6,8

6,8–7

30–34

25–27

22–23

19–20

25–26

27–30

10–11

15–17

18–20

2000

Средний, Мк=1,9–2,3

2–8–2

2–4–2

2–2–2

6,5–6,7

6,7–6,9

6,9–7,5

29–32

22–25

19–23

21–22

27–30

35–37

11–13

19–21

25–27

2000

Мелкий, Мк=1,6–1,8

2–8–2

2–4–2

2–2–2

6,6–6,8

6,8–7,2

7,2–7,8

23–30

19–22

16–20

22–23

32–35

40–45

12–14

22–23

30–35

2400

Примечание – Влажность смеси должна обеспечить хорошее уплотнение силикатобетонных смесей: для крупного песка 10–12%, для среднего 12–13%, для мелкого 14–15%.


В таблице 1 приведены примерные составы смеси для получения плотного мелкозернистого силикатного бетона марки 250 на песках разной крупности при t=174,5 °С.

Как видно из таблицы 1, чем мельче песок, тем больше надо вводить тонкомолотого вяжущего и выше должна быть активность смеси.

Однако следует сказать, что наличие в структуре цементирующего вещества силикатного бетона низкоосновных гидросиликатов кальция обеспечивает лишь высокую прочность. Для получения не только прочных, но и долговечных силикатных бетонов необходимо, чтобы в их структуре были и двухосновные гидросиликаты кальция, более долговечные чем, низкоосновные.

А. А. Гумуляускас и Г. Е. Павлюк также показали, что цементирующие связки, состоящие в основном из одноосновных гидросиликатов, несмотря на высокую прочность, резко снижают ее при карбонизации, что приводит к образованию трещин. Наоборот, у двухосновных гидросиликатов, имеющих вначале низкую прочность, при карбонизации она в 1,5 раза увеличивается и обнаруживается трещиноватость [9].

Большинство исследователей, начиная с А. В. Волженского, до последнего времени считали, что повышенное давление пара лишь обеспечивает создание в автоклаве насыщенной паровой среды, необходимой для реакции взаимодействия компонентов и твердения автоклавных вяжущих. Роль самого давления пара недооценивалась. Это мнение оказывается не вполне справедливым, как показали исследования последних лет.

Надо заметить, что мы еще в самой первой работе, опубликованной в 1933 г., отмечали роль давления пара в автоклаве как важного фактора, обеспечивающего успех автоклавной обработки бетона.

Исследования, проведенные за последние годы в НИИЖБ проф. С. А. Мироновым и его сотрудниками и в ГИСИ К. Ф. Ломуновым, показали, что создание избыточного давления пара в автоклаве в самом начале процесса запаривания является эффективным методом интенсификации автоклавного твердения силикатного и цементного бетона, повышающим и качество изделий [10].

Избыточное давление пара в полностью герметизированном автоклаве возникает за счет парциального давления воздуха, находящегося в автоклаве, и поступающего в него насыщенного пара.

В этих условиях формирование структуры свежеуложенного бетона проходит с самого начала под внешним давлением паровоздушной среды, обжимающим бетон на ранней стадии и ограничивающим его свободное расширение. Аналогичную роль играют иногда жесткие металлические формы, закрытые со всех сторон, или пригруз.

Благоприятные результаты внешнего обжатия были получены и при пропаривании, особенно в автоклаве, где для этой цели надо не усложнять технологию производства и увеличивать себестоимость изделий, а использовать внутриавтоклавное давление.

Как показали исследования НИИЖБ, проведенные на керамзитобетоне, твердение под давлением пара меняет картину деформаций в процессе запаривания, резко уменьшая их, полностью исключает появление трещин и ведет к увеличению прочности бетона. Положительная роль давления пара является своеобразным выражением общей закономерности, вскрытой для цементного бетона и заключающейся в том, что твердение бетона под нагрузкой определенной интенсивности ведет к его упрочнению. Но при этом нельзя допускать уменьшения этого давления во время подъема температуры, например, путем нарушения герметизации автоклава. Такое внезапное уменьшение давления вызывает деструктивные процессы и ухудшает физико-механические свойства материала [10].

Предложенный прием исключает необходимость предварительного выдерживания изделий из плотного бетона, а следовательно, ведет не только к интенсификации автоклавной обработки и улучшению их качества, но и к экономии дополнительных производственных площадей и упрощению производства. Учитывая результаты исследований влияния раннего нагружения бетона и твердения его под нагрузкой, можно высказать предположение, что и автоклавное твердение изделий под давлением паровоздушной среды не всегда дает требуемый эффект. По-видимому, и в данном случае должны выявиться оптимальное время воздействия и его интенсивность, при несоблюдении которых могут получаться иные результаты. Несомненно, будет играть некоторую роль и вид вяжущего, и его характерные особенности. Лабораторные исследования подтверждают высказанные соображения.

В работе указывается, что применение избыточного давления утрачивает смысл, если благодаря предварительному выдерживанию бетон обладает известной начальной прочностью. Так, например, для керамзитобетона такой прочностью оказалась прочность около 0,6 МПа. Опыты, проведенные в НИИЖБ с пенобетоном, показали, что свежеотформованные пенобетонные изделия, имеющие весьма слабую структуру, в отличие от плотных бетонов нельзя запаривать с применением обжатия паровоздушной средой, так как пенобетонная смесь сминается под давлением пара. для таких ячеистобетонных изделий необходимо предварительное выдерживание, после которого можно подвергать их автоклавной обработке с обжатием паровоздушной средой [10].

Оказалось, что для примененного пенобетона необходимо предварительное выдерживание в течение 6 ч, при этом пластическая прочность массы, определенная на пластометре Ребиндера, составляла 0,29–0,35 МПа.

При сокращении времени предварительного выдерживания уменьшается величина пластической прочности, «возникающее в начальный момент запаривания избыточное давление среды деформирует ячеистую массу» и снижает механическую прочность. Необходимы всесторонние исследования плотных, легких и ячеистых силикатных бетонов, чтобы установить оптимальные условия автоклавирования с применением обжатия паровоздушной средой.

1.4. Роль воды, пара и воздуха в процессах автоклавной обработки

А. В. Волженским было показано, что для протекания реакций образования гидросиликатов необходима вода и что паровая среда должна быть насыщенной, а поэтому в автоклаве требуется повышать давление [1]. Присутствие во внутриавтоклавной среде воздуха снижает максимальную температуру запаривания, что приводит к недобору бетоном прочности и уменьшению тем самым эффективности автоклавной обработки.

К. Э. Горяйнов и И. Б. Заседателев показали, что в самом начале запаривания присутствие воздуха снижает, кроме того, коэффициент теплоотдачи от пара к бетону, вследствие чего замедляется прогрев изделий. Для удаления воздуха предлагалось осуществлять вакуумирование пространства автоклава или продувать его паром перед началом подъема давления. Второй способ оказался проще, и его рекомендуют инструкции [10].

Наряду с этим появились рекомендации о целесообразности удаления воздуха из автоклавов путем продувки паром после того, как температура среды поднимется до 120–150 °С, или после подъема давления в автоклаве до 0,01 МПа.

Однако затем взгляд на отрицательную роль воздуха изменился. Изучение кинетики развития внутреннего давления в бетоне при его разогреве, проведенное в ГИСИ им. В. П. Чкалова как в лабораторном, так и в промышленном автоклаве, привело к выводу о том, что присутствие воздуха имеет и положительные стороны.

При продувке автоклавов паром в быстроразогревающихся поверхностных слоях бетона возникает избыточное давление, в то время как в автоклаве оно остается почти равным атмосферному. При небольшой начальной прочности бетона это ведет к появлению на поверхности изделий дефектов в виде разрыхлений, отслоений и подрывов, что обнаруживалось во время наблюдений через смотровые окна. Наоборот, при интенсивном напуске пара без предварительного удаления воздуха в автоклаве сразу начинает расти давление, равное сумме парциальных давлений разогревающего воздуха и не успевающего конденсироваться пара. Растущее внутриавтоклавное давление превышает давление в бетоне, создает полезное всестороннее обжатие изделий и предотвращает развитие дефектов в начальный, наиболее ответственный период его твердения.

С этой точки зрения полезность присутствия воздуха не вызывает возражений. Однако остающийся воздух влияет на состояние внутриавтоклавной среды, на температуру запаривания и на скорость разогрева изделий.

Расчеты показывают, что присутствие воздуха должно снизить максимальную температуру запаривания с 174,5° до 167 °С, или на 7,5° [10].

Однако в действительности такой «потери» температуры не наблюдается. Причиной этого может быть или наличие в автоклаве ненасыщенной паровоздушной смеси, или уменьшение количества воздуха в результате его утечки через различные неплотности.

Заметим, что, располагая данными только о температуре и давлении в автоклаве, нельзя дать однозначный ответ о состоянии внутриавтоклавной среды и парциальных давлениях воздуха и пара. Например, если при давлении 0,9 МПа температура среды составляет 172 °С, то это может свидетельствовать как о наличии в автоклаве ненасыщенной паровоздушной смеси (при отсутствии утечек воздуха), так и об уменьшении количества воздуха (если среда насыщенная). Вторая причина более вероятна, так как в производственных условиях никогда не обеспечивается полная герметичность автоклавов и всегда наблюдаются утечки паровоздушной смеси через небольшие неплотности в крышках и паровой арматуре (вентили, клапаны, фланцевые соединения и пр.). И если количество пара в автоклаве при напуске непрерывно возрастает, то воздуха, наоборот, все время становится меньше.

Для изучения параметров внутриавтоклавной среды был разработан прибор пробоотборник, с помощью которого можно в любой момент запаривания сделать количественный анализ паровоздушной смеси, а также определить, какой пар, насыщенный или перегретый, находится в автоклаве. Опыты показали, что интенсивность утечек воздуха достигает максимума примерно в середине стадии подъема давления, после чего начинает плавно уменьшаться. В конце этой стадии (при двухчасовой ее продолжительности) парциальное давление воздуха снижается по сравнению с теоретическим (при отсутствии утечек) в 3–5 раз, вследствие чего действительная температура среды отстает от температуры насыщенного пара (при давлении 9 ат) всего на 2,1–1,5°, а не на 7,5°. Во время изотермической выдержки утечка воздуха продолжается, в результате чего температура среды практически становится равной температуре насыщенного пара. Температура среды меньше отстает от температуры насыщенного пара при запаривании изделий из плотного бетона, чем при запаривании ячеистобетонных изделий, поскольку, как показали выполненные ранее исследования, воздух замещается паром не только в свободном пространстве автоклава, но и в изделиях.

Таким образом, из-за естественной утечки воздуха из автоклавов через различные неплотности он не может играть отрицательную роль в период изотермической выдержки. Исключение же операции по продувке автоклавов паром ведет к сокращению цикла запаривания и увеличивает оборачиваемость автоклавов.

Что касается снижения коэффициента теплоотдачи от среды к бетону, то данные последних лет [11] свидетельствуют о том, что влияние воздуха можно значительно уменьшить, если заставить паровоздушную смесь интенсивно перемешиваться и двигаться с большими скоростями. Исследования показали, что если оставить воздух в автоклаве и повышать давление в нем 2 ч, температуры в различных точках по высоте в длине автоклава выравниваются уже примерно через 10 мин после пуска пара, а температура внутри газобетонных изделий толщиной 20 см достигает температуры среды спустя 1,5–2 ч после начала второй стадии запаривания. Итак, в том случае, когда автоклавной обработке подвергаются изделия из бетона с низкой начальной прочностью, целесообразно осуществлять запаривание с интенсивным напуском пара без предварительного удаления воздуха. Если же до начала автоклавной обработки бетон приобретет определенную прочность и будет способен сопротивляться возникающим при нагреве изделий напряжениям, то оставлять воздух не только бессмысленно, но и вредно [10].

Исследования с запариванием панелей из сланцезольного газобетона, показали, что после доавтоклавного прогрева изделий продувка автоклава паром с целью удаления воздуха уже не приводит, как обычно, к появлению дефектов в виде разрыхлений, отслоений и подрывов. В результате рекомендуемой трехчасовой продувки при небольшом избыточном давлении не только удаляется воздух из автоклава и пор материала, но и выравниваются температуры во всех точках изделия, происходит также прирост прочности бетона. Это позволяет повышать давление до максимального в течение 1–1,5 ч. При этом благодаря интенсивному теплообмену между средой автоклава и изделием температура в центральных зонах последнего достигает максимума в течение первого получаса изотермического выдерживания, а не спустя 3–4 ч, как это бывает при запаривании газобетонных изделий без удаления воздуха из автоклава. Таким образом, потеря времени на длительное продувание автоклава компенсируется сокращением продолжительности изотермической выдержки. Равномерный же прогрев изделий (без больших температурных перепадов) ведет к снижению возникающих при тепловой обработке внутренних напряжений и к повышению однородности бетона по толщине панелей. Обязательное условие успешного применения режимов с принудительным удалением воздуха путем продувки паром – доавтоклавный прогрев изделий.

2 Особенности активационных процессов при производстве строительных материалов

Важной практической задачей использования активационных процессов является не только повышение реакционной способности сырьевых материалов и снижение энергозатрат на производство строительных материалов, но и расширение сферы применения широкодоступного малоценного по составу сырья и техногенных отходов. При этом не менее важной является проблема оптимизации технологических процессов, получения готовой продукции со стабильными свойствами. При использовании активационных процессов возможно также существенное повышение эксплуатационных характеристик строительных и композиционных материалов. Так, например, исследования в области разработки вяжущих материалов показали, что резервы повышения гидравлической активности портландцемента как вяжущего лежат, в основном, в области активации (управления фазовой и структурной нестабильностью) минералов, направленного управления процессами гидратации.

Одним из наиболее перспективных направлений снижения энергоемкости производства строительных материалов является учет генезиса горных пород [12]. Как уже было показано ранее, в своем эволюционном развитии горные породы проходят ряд стадий. В зависимости от стадии преобразования породы обладают различной активностью, учет которой позволяет определить направления использования материала, оптимизировать технологию производства и, как следствие, в ряде случаев существенно повысить качество выпускаемой продукции.

Энергетическим критерием, позволяющим ранжировать сырье для производства строительных материалов, может быть свободная внутренняя энергия породообразующих минералов и породы в целом. Эта интеграционная характеристика определяется результатом движения и взаимодействия частиц (кластеров, молекул, атомов, ионов и т.д.), дефектностью кристаллической решетки породообразующих минералов, наличием включений минералообразующей среды, газа, жидкости, степенью кристалличности минералов, структурой и текстурой горных пород, постгенетическими изменениями и другими параметрами, которые способствуют снижению энергозатрат при производстве строительных материалов [12].

Технологические факторы, влияющие на энергетическое состояние вещества, можно подразделить на механические, химические и термические (ниже будут рассмотрены подробнее). Кроме вышеперечисленных технологических факторов активирования материалов существует ряд технологий, основанных, чаще всего, на комбинированном воздействии. Эффективным способом активирования твердофазных процессов может быть одновременное воздействие температуры и давления, ультразвука, электрического поля и т.д. Важно отметить, что взаимодействующие материалы сами являются источниками электромагнитных и волновых явлений, они в различной степени влияют на состав дисперсионной среды, что в результате может обеспечивать автокаталитическое воздействие на процессы гидратации и твердения материала.

Достаточно распространенным способом активации сырьевых материалов перед их использованием в производстве стекла, керамики и стеклокристаллических материалов является их аморфизация.

Ударная волна ведет к образованию дефектов и активации кварцевого песка. При определенных условиях – давлении 360 кбар, температуре 600 оС – кусочек кварца (10х6 мм) за время около 10-5 с превращается в кварцевое «стекло». Значительный интерес представляют работы, связанные с дефектообразованием и аморфизацией под действием радиационного облучения. При воздействии больших доз ионизирующего излучения степень радиационного нарушения определяет величина поглощенной дозы, независимо от вида радиации. При меньших дозах нарушения в кристаллах под действием тяжелых заряженных частиц более выражены, чем при облучении электромагнитными излучениями при той же поглощенной дозе. Главные радиационные дефекты – ионизация (быстро релаксируется) и атомные смещения (остаются в качестве повреждения). Таким образом, наибольшие изменения свойств минералов, их аморфизация имеют место после облучения неким пороговым интегральным потоком излучения нейтронов. дальнейшее облучение не приводит к заметным изменениям. Считается, что, например, линейное расширение возрастает с увеличением числа смещений, приходящихся на один атом, и имеет тенденцию к насыщению, когда число смещений на один атом достигает 0,1 [13].

2.1 Механическое активирование

Механическое активирование чаще всего имеет место при измельчении материалов. При этом следует отметить, что степень аморфизации частиц не обязательно пропорциональна дисперсности и зависит от условий измельчения и типа мельницы. Считается, что активность твердых тел при деформировании, трении и разрушении вызвана возникновением колебательно- и электронно-возбужденных межатомных связей, механически напряженных и разорванных связей, в том числе свободных радикалов, координационно ненасыщенных атомов, различных структурных дефектов и т. д. Химические процессы, протекающие непосредственно в период обработки твердого тела, следует отнести к механохимическим. Процессы, которые интенсифицируются из-за механического воздействия на последующих технологических стадиях (гидратация, спекание и т. д.) являются механоактивированными. При механическом воздействии большая часть работы освобождается в виде теплоты. В результате на контактных участках возможно повышение температуры до 1000  оС [14].

Интересно, что эффективность предварительной механохимической обработки сильно зависит от природы реагента, от его химической и термической предыстории [15]. Известно, что гематит после механической обработки резко увеличивает активность в процессах спекания, восстановления и адсорбции, тогда как магнетит после аналогичной обработки активируется крайне слабо [15]. Не исключено, что различия обусловлены большей механической энергией дефектообразования в гематите и меньшей пластичностью по сравнению с магнетитом [16].

Измельчение при воздействии трения и ударов – не единственный вид механического активирования. Прессование порошков также сопровождается искажением кристаллической решетки, что обычно связывают с образованием деформационных структур. Происходящее при нагревании скольжение дислокаций к месту зарождения вакансий, участвующих в диффузионном переносе вещества, увеличивает скорость спекания, особенно в начальной стадии [17].

По данным разных авторов, в измельченном материале аккумулируется от 10 до 30% подводимой механической энергии. На модельном материале – кальците в вибромельнице была оценена по снижению теплоты термической диссоциации степень аккумулирования энергии. Установлено, что порошки длительного сухого помола (как кристаллические, так и аморфные) более активны в спекании (и более реакционно способны), чем порошки мокрого помола при равной их дисперсности [15]. Отличие в активности порошков сухого и мокрого помола сохраняется и при достаточно высоких температурах.

Рассмотрим влияние мокрого помола на особенности фазообразования. Мокрый помол наибольшее распространение нашел в технологиях производства различного вида керамики, жаростойких бетонов и так далее. В случае переходов в системе «кристаллическое–аморфное тело» может быть использована деформационная модель фазообразования. Определенным ньюансом для таких условий можно считать, что степень деформации системы в целом осуществляется за счет интенсивного увеличения удельной поверхности, которую, в принципе, можно рассматривать, как поверхностный дефект.

Высокая удельная поверхность наночастиц, вероятно, и обуславливает необходимые структурные преобразования и сближение активности кристаллических и аморфных фаз – т.е. переход их в активированное состояние. Повышение реакционной способности кристаллических материалов будет осуществляться за счет увеличения степени дефектности (рост поверхности), а стеклообразных тел, кроме того – за счет реорганизации их структуры.

При помоле кремнеземсодержащих материалов в состав коллоидного компонента входят наночастицы, конденсирующиеся из олигомеров поликремниевых или алюмокремниевых кислот (которые образуются при гидратации частиц исходного сырья в процессе мокрого помола) и в дальнейшем обеспечивающие структурообразование и твердение при обезвоживании. Удельная поверхность (по БЭТ) коллоидного компонента, выделенного дегидратацией фугата, может составлять до 260 м2/г, диаметр частиц - до 10 нм. Анализ гранулометрии, выполненный Пивинским Ю.Е., показал, что значения среднего диаметра частиц для ВКВС на основе кварцевого песка, стекла и ряда других материалов находятся в пределах 0,6–1,4 мкм. Однако в этом случае значительный вклад в увеличение общей удельной поверхности вносит коллоидный компонент (менее 0,1 мкм). Эта фракция, составляющая по массе только 0,4–0,8%, создает около 50% удельной поверхности всей твердой фазы.

Исследования [16], выполненные на кремнеземе, находящемся в кристаллическом состоянии (отмытый кварцевый песок Зиборовского месторождения), и кварцевом стекле, которые характеризовались содержанием SiО2 около 99%, позволили установить явления, напрямую вытекающие из разработанной теоретической модели и механизмов фазообразования. Так, аморфные фазы коллоидного состава, образующиеся в результате механической активации кварца и кварцевого стекла, обладают высокой реакционной способностью. Кристаллизация и перекристаллизация этих фаз начинается при более низких температурах, чем в кристаллических или стекловидных композитах того же состава.

Структура коллоидного компонента кварцевого песка и стекла после сушки имела весьма схожий характер – наличие рыхлой аморфной фазы. В дальнейшем после 6000 оС её внешний вид на изломе по данным электронной микроскопии изменяется незначительно. К 1200 оС формируется, в основном, мелкокристаллическая структура, на изломе напоминающая исходную аморфную. Оптическая микроскопия подтверждает процесс кристаллизации – в проходящем свете формирующийся поликристалл имеет размеры зерен менее 1 мкм ) даже после термообработки при 1200 оС.

По данным РФА в аморфной фазе коллоидного компонента в сравнении с основной твердой фазой исследуемых суспензий несколько меняются процессы кристаллизации. Коллоидный компонент суспензии кварцевого песка кроме аморфной фазы, отмеченной на рентгенограмме наличием гало, имеет значительное количество β-SiO2, находящегося, вероятно, в активированном состоянии. Это подтверждается тем, что при температуре около 1200 оС практически весь β-SiO2 коллоидного компонента переходит в кристобалит, в то время как в кристаллической фазе исследуемой суспензии кварцевого песка основной фазой остается β-SiO2..

Проведенные исследования [18] показали принципиальную возможность управления реакционной способностью материалов, их поведением в условиях повышенных температур еще на стадии мокрого помола. Выявленные закономерности позволяют целенаправленно изменять свойства материалов в технологическом процессе и получать композиты аморфно-кристаллического состава с заранее заданным комплексом свойств.
2.2 Термическое активирование

Понятие термического активирования в научно-технической литературе точно не определено. В общем случае его связывают с интенсификацией процессов при повышении температуры термообработки, изменением скорости подъема температуры и охлаждения, влиянием среды обжига. Следует подчеркнуть, что активация не является напрямую функцией температуры, а может лишь проявляться в процессе определенных физико-химических превращений (реакции, полиморфные превращения и т.д.), приводящих к структурным изменениям (в частности, к изменению концентрации неравновесных дефектов, не являющихся функцией параметров состояния системы).

Наиболее детально в настоящее время изучено влияние скорости нагрева и максимальной температуры обработки на последующие высокотемпературные процессы спекания, синтеза новых фаз [19]. Скоростной, высокотемпературный обжиг способствует тому, что минералы приходят в точку основного взаимодействия в высокоактивном состоянии при исключении рекристаллизации, а синтез и спекание характеризуются одновременным протеканием ряда процессов – декарбонизации, дегидратации, полиморфных превращений и т. д. Однако, для дальнейшего практического использования пока мало изучены процессы структурообразования (активации), протекающие при различных градиентах нагрева и охлаждения, а также влияние ряда физико-химических процессов (диффузия, полиморфные превращения, кристаллизация и т. д.) на свойства отдельных фаз. А ведь только направленное управление процессами фазо- и структурообразования позволит обеспечить получение материалов с заданным комплексом свойств [18].

Заключение

На основе известково-кремнеземистых вяжущих можно получить мелко- и крупнозернистые силикатные бетоны высоких марок – до 700–800. Такие строительные свойства плотного силикатного бетона, как водонепроницаемость и водостойкость, прочность и морозостойкость, химическая стойкость и хорошие теплофизические свойства, свидетельствуют о широких возможностях применения силикатобетонных конструкций наряду со сборным железобетоном в жилищном, гражданском и промышленном строительстве. Его прочность при сжатии, изгибе и растяжении, деформативные свойства, сцепление с арматурой обеспечивают одинаковую несущую способность конструкций из силикатного и цементного бетона при одинаковых их размерах и степени армирования. Поэтому силикатный бетон можно использовать для армированных и преднапряженных конструкций, что ставит его в один ряд с классическим цементным бетоном.

На основе силикатных бетонов можно выпускать сборные детали разнообразной номенклатуры для современных полносборных зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения. Из силикатного бетона можно также изготовлять железнодорожные шпалы и тюбинги для метро.

Производство бетонных и железобетонных изделий на основе известково-кремнеземистого вяжущего может исключить возможность использования в составе бетона дорогого, а для ряда областей нашей страны еще и весьма дефицитного крупного заполнителя (щебня или гравия).

Процесс автоклавной обработки позволяет регулировать образование гидросиликатов кальция в цементном камне, которые в конечном счете и определяют основные свойства силикатного бетона по прочности и деформативности, морозостойкости и сопротивляемости агрессивным средам. При этом необходимость интенсификации технологических процессов и соответствующая подготовка используемого сырья, повышение его реакционной способности, улучшение технологических свойств в настоящее время должна занимать одно из важнейших мест в технологии производства строительных материалов. Игнорирование этой необходимости просто немыслимо и, как минимум, недальновидно. Ускорение и активация технологических процессов позволяет снижать энергоемкость производства, повышать качество выпускаемой продукции, вовлекать в производство новые виды сырьевых ресурсов.

Список использованных источников


  1. Хавкин Л. М. Технология силикатного кирпича. – М.: Стройиздат, 1989

  2. Саталкин А. В., Комохов П. Г., Ломунов К. Ф., Федин А. А., Яворский А. К. Технология изделий из силикатных бетонов. – М.: Стройиздат, 1982

  3. Хигерович М. И., Новаховская Д. С. Некоторые химические показатели автоклавных силикатных материалов. – М.,1979

  4. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: изд-во АСВ, 2003

  5. Левин С. Н., Амханицкий Г. Я., Чикунов А. М. Сб. «Силикатные материалы автоклавного твердения». М., 1987

  6. Евтушенко Е. И.Активационные процессы в технологии силикатов // Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. междунар. науч.-практич. конф. – Белгород: изд-во БелГТАСМ, 2001

  7. Комар А. Г., Баженов Ю. М., Сулименко Л. М. Технология производства строительных материалов. – М.: Высш. шк., 1990









Скачать файл (1550.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru