Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 10
1.1 Строительные материалы на основе песчано-глинистых пород 11
1.1.1 Методы стабилизации песчано-глинистых пород 11
1.1.2 Опыт промышленного производства строительных материалов на основе стабилизированных глинистых пород 14
1.1.3 Силикатные материалы гидротермального твердения на основе песчано-глинистых пород 16
1.2 Взаимодействие известкового компонента с породообразующими минералами глинистых пород 19
1.3 Изучение силикатных и несиликатных водных систем 28
1.4 Влияние фазового состава на физико-механические свойства цементирующих соединений материалов гидротермального твердения..33
1.5 Глинистые породы как природное наноразмерное сырье 36
1.6 Выводы 40
2 Материалы и методы исследований 42
2.1 Используемые материалы 42
2.2 Методы исследований и идентификация состава сырья и продуктов гидратационного твердения 43
2.3 Методика получения образцов 52
2.4 Математическая обработка результатов исследований 54
3 Геолого-литологические предпосылки получения безавтоклавных силиканых материалов на основе глинистых пород курской магниной аномалии 57
3.1 Современные представления о структурообразовании в системе СаО-кремнеземсодержащее сырье-Н20 57
3.2 Вещественный состав и свойства песчано-глинистых пород Курской магнитной аномалии з
3.3 Песчано-глинистые породы как сырье для получения безавтоклавных силикатных материалов 72
3.3.1 Влияние песчано-глинистых пород на прочность сырца 72
3.3.2 Безавтоклавные силикатные материалы на основе
песчано-глинистых пород и извести 76
3.4 Выводы 107
4 Свойства безавтоклавных силикатных материалов в зависимости от состава сырья 110
4.1 Стеновые материалы на основе известково-песчано-глинистого вяжущего 110
4.2 Свойства силикатных материалов на основе супеси в зависимости от давления гидротермальной обработки 116
4.3 Влияние пелитовой фракции на свойства безавтоклавных силикатных материалов 121
4.4 Свойства безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород и комплексного вяжущего 129
4.5 Влияние песчано-глинистых пород на окраску безавтоклавных силикатных материалов 135
4.6 Рациональные составы безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород 136
4.7 Разработка технологии производства безавтоклавных силикатных материалов на основе энергосберегающего сырья 139
4.7.1 Технология производства силикатных материалов методом полусухого прессования 139
4.7.2 Технология производства силикатных материалов методом литьевого формования 145
4.7.3 Контроль производства силикатных камней и стеновых блоков... 149
4.8 Выводы 152
5 Технико-экономическое обоснование эффективности применяемых технологий 154
5.1 Технико-экономическое обоснование проекта 154
5.2 Расчет экономии материальных затрат при замене традиционного силикатного кирпича силикатным камнем на основе энергосберегающего сырья 157
5.3 Разработка нормативных документов и внедрение результатов исследований 163
5.4 Выводы 165
Общие выводы 166
Библиографический список
- Силикатные материалы гидротермального твердения на основе песчано-глинистых пород
- Методы исследований и идентификация состава сырья и продуктов гидратационного твердения
- Песчано-глинистые породы как сырье для получения безавтоклавных силикатных материалов
- Свойства силикатных материалов на основе супеси в зависимости от давления гидротермальной обработки
Введение к работе
Актуальность. Одним из основных направлений развития науки в настоящее время является энергосбережение, рациональное природопользование, разработки инновационных технологий производства зеленых композитов, что особенно актуально для строительного материаловедения.
Энергоемкость производства наиболее распространенных в России стеновых материалов - керамического и силикатного кирпича и камней, керамзитовых бетонных блоков и т. д. существенно выше зарубежных европейских и американских аналогов.
Актуальной задачей является снижение энергоемкости производства строительных материалов за счет использования нетрадиционного в т.ч. техногенного сырья, породообразующими минералами которых являются термодинамически неустойчивые соединения.
Для реализации этой задачи необходимо исследование процессов структуро образования при синтезе композиционных материалов с использованием термодинамически неустойчивых минералов глинистых пород в гидротермальных условиях при атмосферном давлении.
Внедрение данной инвестиционно привлекательной для предприятий малого и среднего бизнеса технологии позволит получить высококачественные стеновые материалы безавтоклавного твердения, существенно снизить энергоемкость производства, улучшить эстетичность зданий и сооружений и повысить конкурентоспособность стройиндустрии, что особенно актуально после вхождения России в ВТО.
Диссертационная работа выполнена в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.
Цель и задачи работы. Снижение энергоемкости производства стеновых силикатных материалов за счет использования термодинамически неустойчивого сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование процессов структуро образования системы
«СаО-глинистые фазы незавершенной стадии минералообразования-
НгО» в гидротермальных условиях;
изучение состава и морфологии новообразований и их влияние на эксплуатационные характеристики стеновых материалов;
разработка технологии производства безавтоклавных стеновых материалов с использованием термодинамически неустойчивых глинистых пород;
- разработка нормативно-технической документации и внедрение
результатов исследований.
Научная новизна.
Установлено, что изучаемые породы за счет содержащихся в них ме-тастабильных глинистых минералов, рентгеноамофной фазы и тонкодис-
персного кварца активно взаимодействуют с известью и продуктами гидратации портландцемента при гидротермальной обработке при температуре 90-95 С с образованием слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция и гидрогранатов, что приводит к возникновению прочной кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели изделий.
Установлен механизм взаимодействия породообразующих минералов песчано-глинистых нанодисперсных пород с гидроксидом кальция в условиях гидротермальной обработки без давления, заключающийся в возникновении первоначально промежуточных соединений в виде глобул, представляющих собой аморфные гидроалюминаты и гидросиликаты кальция, и последующим формировании на их основе цементирующих соединений из слабоокристаллизованных гидро силикатов кальция, в том числе алюмозамещенных и гидро гранато в.
Показано, что в процессе эксплуатации синтезированные стеновые материалы на основе природного нанодисперсного сырья набирают прочность за счет процессов дальнейшего образования и перекристаллизации гидро силикатов кальция. При этом оптимизируется соотношение между гелевидными и кристаллическими компонентами и уплотняется структура цементирующего соединения, что приводит к увеличению прочности в 1,5-2 раза.
Практическое значение работы. Доказана возможность применения отложений незавершенной стадии глино образования для получения безавтоклавных силикатных материалов. На основе полученных данных можно проводить оценку сырьевых ресурсов месторождений подобного сырья в различных регионах.
Разработана технология производства высокоэффективных безавтоклавных силикатных материалов с использованием песчано-глинистых пород, извести и цемента, позволяющие получать водостойкие изделия с пределом прочности при сжатии до 32 МПа. Морозостойкость составляет 15-25 циклов. Окраска изделий соответствует цвету исходной песчано-глинистой породы.
Предложены математические модели, которые позволяют оптимизировать технологические параметры получения безавтоклавных силикатных материалов с заданными физико-механическими показателями.
Себестоимость производства снижается на 30-35 % в результате уменьшения энергозатрат за счет замены автоклавной обработки на гидротермальный синтез при атмосферном давлении, использования более дешевого и доступного сырья при получении высокопустотных изделий.
Внедрение результатов исследований. Теоретические положения, полученные в данной работе, апробированы в промышленных условиях на ООО «Экостройматериалы» (г. Белгород). Подписан ряд протоколов о намерениях с организациями Белгородской, Орловской и др. областей о промышленном внедрении диссертационной работы.
Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:
стандарт организации СТО 02066339-011-2012 «Силикатные камни гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья»;
стандарт организации СТО 02066339-012-2012 «Стеновые блоки гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья»;
рекомендации по изготовлению стеновых блоков гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья;
рекомендации по изготовлению силикатного камня гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья.
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, 270114, студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Строительство».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международном студенческом форуме (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика» (Новочеркасск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (Якутск, 2009); 2-й Международной научно-практической конференции (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы - 2012» (Przemysl, (Польша), 2012); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012); XVI и XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012 и 2013).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в журналах по списку ВАК РФ, монографии, получен патент РФ.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород незавершенной стадии глино образования;
результаты экспериментальных исследований влияния песчано-глинистого пород на синтез и механизм формирования цементирующих соединений в условиях гидротермальной обработки без давления;
- технология производства высокопустотных песчано-глино -
известковых камней и блоков;
- результаты внедрения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, включающего 45 таблиц, 49 рисунков и фотографий, списка литературы из 157 наименований, 8 приложений.
Силикатные материалы гидротермального твердения на основе песчано-глинистых пород
Опытное производство кирпича и блоков было организовано в Киевской области на базе местных лессов и суглинков с использованием в качестве стабилизаторов извести, портландцемента и небольшого количества хлорида кальция [24]. В производстве использовались следующие составе стабилизирующих добавок: 3 мае. % извести + 0,5-1,0 мае. % хлорида кальция, 4-5 мае. % пордландцемен-та + 0,3—0,5 мае. % хлорида кальция.
Полученные безобжиговые кирпичи обладали следующим преимуществом перед обыкновенным сырцом: неразмываемостью, постоянством объема, достаточной морозостойкостью, способностью связываться с кладочными растворами, меньшей средней плотностью и меньшей теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0,6-0,7). Прочность при сжатии составила 2,0-4,0 МПа, что позволяет возводить одноэтажные и двухэтажные здания.
А. А. Шишкин [27] разработал технологию получения неразмываемых гли-но-известковых теплых камней из смеси глино-известкового вяжущего материала и органического наполнителя (соломенная резка, опилки, резка, костра льна и т.п.). Одна часть извести-кипелки гасится совместно с 3-6 частями глины. Полученный глино-известковый материал выдерживается несколько дней, разжижается водой до желаемой густоты и смешивается с 3-6 частями органического наполнителя. Органический наполнитель предварительно вымачивается несколько часов в 3 мае. %-ном растворе железного купороса для его антисептирования и быстрого набора прочности камня. Полученная смесь формуется в блоки размером 38x38x21,5; 38x18,5x21,5; 38x12x21,5 и 57,5x25x21,5 см. Отформованные блоки высушиваются на воздухе или в сушилке, а для получения материала большей прочности, пропариваются без давления в течение 20-24 ч.
Наиболее рациональным составом считается сырьевая смесь, в котором соотношение извести, глины и органического наполнителя составляет 1:4:4, что обеспечивает получение сухих блоков со средней плотностью 1200-1300 кг/см и прочностью при сжатии 1,0-1,2 МПа.
Украинским научно-исследовательским институтом стройматериалов по заданию треста новых стройматериалов промсекции Киевского горсовета была проведена работа по подбору рецептуры для глино-известковых камней («кальцинированных глин») [20, 21]. Было установлено, что при добавке к данным глинам 9 мае. % извести можно получить прочный и водостойкий материал, причем прочность и водостойкость после пропарки повышается. Прочность образцов зависит от вида глины. Возможна частичная замена извести золою торфа. При введении в массу 10 мае. % торфяной золы, при условии пропаривания, количество извести можно сократить на 50 мае. %.
Трестом новых стройматериалов организовано производство глино-кальцинированных блоков. Однако, несмотря на большое количество проведенных исследований, не было найдено эффективных и экономически выгодных способов стабилизации глинистых масс. Все предложенные способы обладали рядом недостатков, к которым относится значительное понижение прочности глинистых масс при обработке стабилизаторами, вымывание некоторых стабилизаторов водой, образование гелеобразных продуктов, затрудняющих дальнейшее протекание процесса. Изучение глинистых масс проводилось не систематически, иногда без должного теоретического обоснования, поэтому результаты зачастую получались противоречивыми и ненадежными. Не было предложено удовлетворительного способа получения безобжиговых изделий из глинистых пород с добавкой извести. Водостойкие материалы получались только при пропарке.
Большую роль в разработке методов укреплении глинистых пород, а также теории процесса взаимодействия с их дисперсными составляющими химических реагентов, сыграли работы таких ученых, как П. И. Боженов, В. М. Безрук, А. Н. Адамович, Н. Н. Круглицкий, М. Н. Перший, А. П. Платонов, П. А. Ребиндер, М. М. Филатов, А. К. Бируля и другие [28-34].
В последние годы развитие теории стабилизации глинистых пород получило в работах, проведенными учеными БГТУ им. В.Г Шухова (А. М. Гридчин, В. С. Лесовик, В. В. Строкова, Г. С. Духовный и др.).
Большая часть проведенных работ относится к укреплению грунтов, применяемых в дорожном строительстве. Вместе с тем имеются работы, посвященные получению стеновых строительных материалов из грунтобетона с использованием в качестве вяжущего побочных продуктов промышленности [35-38].
Возможность получения силикатных материалов из глино-известковых масс путем гидротермальной обработки впервые было экспериментально доказана в СССР. Исследования, проведенные проф. П. П. Будниковым [19], показали, что при пропарке под давлением сформованных образцов из глины с добавкой извести можно получить, в зависимости от содержания извести и условий пропарки, той или другой прочностью кирпич.
Первые подробные исследования возможности использования глины в качестве сырья для получения силикатных изделий провел в 1939-1940 гг. С. М. Ро-зенблит. Он установил, что равномерно распределенная в известково-песчаной смеси глина резко повышает прочность сырца и запаренного кирпича, а также увеличивает морозостойкость [39, 40].
И. В. Курсенко [41] установил, что на основе лесса, а также из смеси лесса и глины может быть получен эффективный стеновой материал. Наиболее активное твердение при пропарке изделий из этого сырья происходит при условии сближение частиц сырьевых смесей, что достигается прессованием.
Полученные образцы на основе лесса с содержанием СаО 6 мае. % сформованные при давлении прессования 19 МПа и запаренные при 0,8 МПа в течение 7 ч имели прочность при сжатии 25 МПа и при изгибе более 2,4 МПа. Испытания образцов на морозостойкость дали положительные результаты. Также установлено, что в отличие от известково-песчаных изделий, изделия из глин и лессов хорошо твердеют при пропарке не только подавлением, но и при нормальном давлении при температуре около 100 С.
Необходимость расширения сырьевой базы, а также малая изученность влияния глины на свойства силикатных материалов и противоречивость мнений исследователей по этому вопросу, послужили основанием для проведения в институте РОСНИИМС в середине прошлого века научно-исследовательской работы по изучению возможности использования глин в качестве сырья для производства силикатных материалов гидротермального твердения [42-49].
Эти исследования показали, что полноценные по физико-механическим свойствам силикатные материалы могут быть получены при использовании в качестве кремнеземистого компонента не только чистых кварцевых песков, но и песков, содержащие большое количество глинистых примесей, а также одной только глины.
Добавка глины, равномерно распределенная в известково-песчаной смеси улучшает ее зерновой состав и придает желательную пластичность. При этом повышается прочность сырца и запаренного кирпича. Повышение прочности сырца облегчает выпуск пустотелого кирпича.
Повышение прочности и улучшение других свойств силикатного кирпича при замене песка глиной дает возможность примерно на 25 % сократить удельный расход извести или при сохранении расхода извести соответственно повысить механическую прочность кирпича [43].
Установлено, что добавка глины значительно сокращает время запаривания. Например, при содержании молотой глины 6 мае. % прочность образцов, запаренных в течение 4 ч, оказалась равной, а в ряде случаев на 27-36 % выше прочности контрольных известково-песчаных образцов, запаренных в течение 8 ч. С увеличением содержания глины до 15-25 мае. % наблюдался дальнейший рост прочности образцов, запаренных в течение 4 ч.
Показано, что при запаривании в течение 8 ч молотый песок показал большую активность, чем глина. При запаривании в течение 4 ч более эффективной добавкой оказалась глина. Следовательно, наибольшую эффективность глина проявляет при сокращенной длительности запаривания.
Методы исследований и идентификация состава сырья и продуктов гидратационного твердения
Автоклавные силикатные материалы это композиты, которые образуются в результате реакции известкового вяжущего с кремнеземистым компонентом в гидротермальных условиях при повышенном давлении. В качестве кремнеземистого компонента по традиционной технологии используют кварцевый песок, требования к которому по содержанию кварца, щелочей, тонкодисперсных частиц и гранулометрии определяется нормативным документом. В стандарте содержится важное положение, что можно использовать пески, которые не отвечают требованиям соответствующим требованиям, если получены положительные результаты испытаний изготовленных на их основе силикатных изделий. При этом в качестве кремнеземистого компонента могут быть использованы эффузивные породы, туф, вулканический песок, а также отсев дробления кварцитопесчаников и гранитов.
В процессе автоклавной обработки между компонентами традиционной сырьевой смеси протекает химическое взаимодействие с образованием гидросиликатов кальция. При этом происходит растворение исходных компонентов, кристаллизация и твердение. При повышении температуры до 174-203С компонен-ты растворяются. В начальный период в растворе содержится избыток ионов Са" и ОН", так как с повышением температуры растворимость Са(ОН)2 понижается, а Si02 повышается. При температуре около 150 С интенсивно растворяется кремнезем и в растворе образуются двухосновные гидросиликаты кальция. По достижении максимальной температуры начинается кристаллизация, продолжающаяся на протяжении всего изотермического процесса. Двухосновные гидросиликаты кальция при взаимодействии с кремнеземом образуют низкоосновные гидросиликаты кальция, которые выкристаллизовываются при насыщении раствора. В высокодисперсных известково-кремнеземистых сырьевых смесях возможен прямой синтез низкоосновных гидросиликатов кальция. В реальных условиях производства автоклавных силикатных материалов наибольшее практическое значение имеют CSH(B), C2SH(A), C2SH2, тоберморит С58бН5_2 и реже ксонотлит С68бН. Состав продукта гидротермального синтеза определяется соотношением CaO/Si02 в исходной смеси и условиями гидротермальной обработки. Для получения автоклавных силикатных материалов высокого качества необходимо образование соединения типа С8Н(В)-тоберморит. Необходимо отметить, что равновесное состояние системе CaO-Si02-H20 в условиях реального производства автоклавных материалов практически не достигается. Эта система отличается существованием большого количества метастабильных фаз, небольшими размерами новообразований и слабой степенью окристаллизованно-сти.
Физико-химические процессы, которые протекают при гидротермальной обработке, в значительной степени связаны с поверхностными явлениями. Взаимодействие между компонентами смеси зависит от активности состояния их поверхности. Наибольшую поверхностную энергию имеют ребра, грани и углы. На этих участках, являющиеся центром зародышеобразования, формируются гидросиликаты кальция. Поверхностная энергия увеличивается за счет разрыва межатомных связей. При расколе кристалла кварца на поверхности образуются активные положительные и отрицательные участки, оканчивающиеся соответственно атомами кремния и кислорода
Поверхность измельченного кварца сильно нарушена, что способствует существенному повышению активности кварца. Следовательно, от степени измельчения кварца зависит его реакционная способность и связанные с этим процессы синтеза гидросиликатов кальция. При этом надо учитывать, что гидратация поверхности кремнезема компенсирует заряд в местах разрыва связей ОН ОН
Это приводит к снижению поверхностной энергии и, соответственно, уменьшению активности кварца по отношению к извести, что можно компенсировать более длительной гидротермальной обработкой. Отсюда следует, что для увеличения реакционной способности силикатной смеси необходимо тонкое измельчение известково-песчаного вяжущего и продолжительное время гидротермальной обработки, что существенно увеличивает затраты энергии при производстве силикатных изделий.
Растворение компонентов и синтез гидросиликатов кальция при использовании традиционного сырья идет при высокой температуре, что определяет повышенную энергоемкость производства силикатных материалов. Снизить затраты энергии на производство можно путем использования кремнеземсодержащего сырья, обладающего высокой активностью, которая определяется пониженной температурой растворения кремнезема. Выбрать такое сырье можно только с учетом его генезиса, структурно-текстурных особенностей и минерального состава. Геологические процессы дезинтегрируют горную породу, аморфизуют ее частицы и создают структурные дефекты, что существенно повышает активность сырья. Химические реакции между гидроксидом кальция и кремнеземом аморфизиро-ванной оболочки зерен начинаются уже при атмосферном давлении.
Высокой активностью отличается аморфная кремнекислота, растворимость которой при 25 С более чем в 16 раз выше, чем у кварца, что существенно ускоряет синтез гидросиликатов кальция. В тех же пределах находится растворимость опала. Следовательно, сырье, содержащее в своем составе минералы на основе аморфного кремнезема, например, таких как опал, опока и др., будет способствовать снижению энергозатрат при производстве силикатных материалов.
Повышение физико-механических свойств силикатных материалов и снижение их энергоемкости можно обеспечить путем получения в составе цементи 60
рующего соединения гидрогранатов и других соединений системы СаО-А1203-Si02-H20. У гидрогранатов нет определенной формулы, они имеют переменный состав, что трудно учитывать при технологии изготовления изделий. Поэтому алюмосиликатные смеси обеспечивают автоклавным материалам разнообразные свойства. Гидрогранаты являются одной из первых возникающих в процессе автоклавной обработки кристаллических фаз, связывающих значительное количество гидроксида кальция.
Анализ данных по исследованию сырьевой базы автоклавных материалов позволил теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность управления синтезом новообразований для получения материалов с заданными свойствами путем введения в сырьевую массу глинистых пород незавершенной стадии глинообразования.
Породообразующие минералы глинистых пород позволяют изменить морфологию кристаллических новообразований, обеспечивающие оптимизацию структуры цементирующего соединения и, соответственно, улучшить физико-механические характеристики автоклавных силикатных материалов.
Глинистые породы незавершенной стадии глинообразования содержат высокодисперсные компоненты - глинистые минералы, рентгеноамофную фазу и тонкодисперсный кварц. Поверхность кварца в значительной степени корродирована. Именно в этих местах кристаллическая структура наиболее разупорядочен-на, что, соответственно, увеличивает интенсивность процесса растворения кристаллов и переход кремнезема в раствор. Природные процессы выполнили часть работы по разрушению породы, что позволяет сократить энергозатраты на помол вяжущего.
Одним из существенных различий во взаимодействии Са(ОН)2 с кварцем и глинистыми минералами заключается в том, что последние обладают ионообменными свойствами за счет наличия гидроксильных групп на атомах кремния. Кремнекислородная поверхность [— Si — О — Si — О — Si —] такими свойствами не обладает. При рассмотрении процессов, происходящих в гидротермальных условиях, наиболее важным является адсорбция и обмен катионов на поверхности глинистых минералов. В системе CaO-Al203-Si02-H20, очевидно, в значительной степени протекают процессы обмена ионов. В результате подвижного равновесие на поверхности глинистых минералов при автоклавной обработке гидроксильные группы, разорвав связи на поверхности кристаллической структуры и укрепившись на поверхности, могут потом покидать эти активные места, на которых спо 9-І собны адсорбироваться Са . Это приводит к разрушению структуры глинистого минерала с образованием гидрогранатов и гидросиликатов кальция.
Процесс адсорбции и обмена катионов протекает более активно для монтмориллонита, чем для каолинита, что определяется особенностями структуры этих минералов. При адсорбции катионов на монтмориллонитовых минералах возможно существенное увеличение расстояние между пакетами. Еще большую активность к обмену катионов проявляют смешаннослойные образования и рент-геноаморфная фаза, что связано со значительной структурной разупорядоченно-стью эти минералов.
Таким образом, можно сделать вывод, что при использовании в качестве сырья алюмосиликатных пород незавершенной стадии глинообразования, состав которых отличается наличием термодинамически неустойчивых соединений, возможно получение эффективных силикатных материалов в условиях гидротермальной обработки без давления.
Песчано-глинистые породы как сырье для получения безавтоклавных силикатных материалов
Испытание воздушной извести производится в соответствии с ГОСТ 9179-77 и ГОСТ 22688-77 [141, 143]. Качественные показатели воздушной извести оценивали по нескольким показателям, из которых основными являются содержание свободных оксидов кальция и магния (активность извести) и скорость гашения.
Содержание активных СаО и MgO в применяемой извести определяли путем титрования 1 н. раствором соляной кислоты водного известкового раствора. Навеску извести массой 4-5 г предварительно растирали в течение 5 мин в фарфоровой ступке. Растертую известь взвешивали на аналитических весах. Известь в количестве около 1 г помещали в коническую колбу емкостью 250 мл, приливали 150 мл дистиллированной воды, добавляли 3-5 стеклянных бус, закрывали часовым стеклом и нагревали в течение 5-7 мин до температуры кипения. После нагревания раствор охлаждали до температуры 20-30 С, промывали стенки колбы и часовое стекло дистиллированной водой, добавляли 2-3 капли 10 %-ного спиртового раствора фенолфталеина. Раствор при этом окрашивался в малиновый цвет. Титрование проводили при постоянном взбалтывании 1 н. раствором соляной кислоты до полного обесцвечивания. Через некоторое время раствор снова окрашивался в малиновый цвет. После этого титрование снова продолжали. Титрование прекращали, если в течение 8 мин при периодическом взбалтывании раствор оставался бесцветным. В расчетах использовали величину суммарного объема соляной кислоты, пошедшей на титрование.
Навеску извести помещали в колбу, доливали 25 мл воды с температурой 20 С и быстро перемешивали деревянной отполированной палочкой. Колбу плотно закрывали пробкой с вставленным термометром на 100 С и оставляли в покое. Ртутный шарик термометра был полностью погружен в известковую смесь. Контроль температуры реагирующей смеси вели через каждую минуту, начиная с момента добавления воды. Определение заканчивали, если в течение 4 мин температура не повышалась более чем на 1 С. За время гашения принимали время с момента добавления воды и до периода, когда повышение температуры не превышало 0,25 С в минуту.
Определение консистенции сырьевых смесей Определение консистенции смесей, используемых для формования образцов, проводили по ГОСТ 310.4-81 [149]. Для этого использовали встряхивающий столик и металлическую форму-конус, которые показаны на рисунке 2.4. Форма-конус 7 устанавливаются в центре диска столика. При вращении маховика 8 с помощью кулачка 3 ось 4 и диск 5 поднимаются на заданную высоту, а затем свободно падают до удара о неподвижную станину 7. Перед укладкой формовочной смеси в конус его внутреннюю поверхность и поверхность стеклянного диска слегка увлажняют. Форму-конус заполняют рас 51 твором сначала на половину высоты и уплотняют 15 штыкованиями металлической штыковкой, общий вид которой показан на рисунке 2.5. Затем полностью заполняют конус раствором, причем с небольшим избытком и штыкуют 10 раз. Насадку убирают, а излишки раствора убирают ножом вровень с краями конуса. Затем конус в вертикальном направлении снимают, а раствор встряхивают 30 раз за 30±5 с. Конус раствора при этом расплывается.
Исследуемые глинистые породы предварительно высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 С до постоянного веса и при необходимости измельчали в лабораторной вибромельнице. Комовую известь измельчали до удельной поверхности 400 м /кг.
Методика приготовления сырьевой смеси зависела от того, какой состав применялся для исследований. Для образцов, состоящих только из глинистой породы и извести сырьевую массу готовили путем смешения сухих компонентов в заданных соотношениях. Сначала в фарфоровой чашке тщательно перемешивали глинистую породу с известью. Затем полученную смесь увлажняли необходимым количеством воды и выдерживали сутки в герметически закрытой чашке до полного гашения извести.
Сырьевая смесь с использованием известково-песчано-глинистого вяжущего (ИПГВ) готовилась путем совместного помола глинистой породы с известью, смешением ИПГВ с исходной породой или другим кремнеземистым заполнителем, увлажнением необходимым количеством воды и выдерживанием в герметически закрытой чашке.
Если в составе образцов дополнительно содержался цемент, его вводили в сырьевую смесь после гашения извести. Для этого сырьевую смесь высыпали в фарфоровую чашку, добавляли необходимое количество цемента, и смесь снова тщательно перемешивали.
После гашения извести из полученной смеси на гидравлическом прессе ПСУ-10 при удельном давлении прессования 10-50 МПа формовали образцы-цилиндры по диаметру и высоте равные 35 мм.
Методика приготовления сырьевой массы для образцов литьевого способа формования была такой же, как и для образцов полусухого прессования. Отличие заключалось в том, что перед формованием в смесь добавлялась вода до получения консистенции, позволяющей проводить формование методом литья. Нормальная густота смеси составляла, в зависимости от состава, в пределах 40-55 %. Из полученной массы формовали кубики размером 35x35x35 мм. Формование проводили на виброплощадке в разъемных формах. Перед формованием внутреннюю поверхность металлических форм смазывали тонким слоем машинного масла. Через сутки хранения в естественных условиях формы разбирались и образцы дополнительно высушивались при 45-50 С до влажности 12-14 %. Предварительное подсушивание необходимо для предотвращения разрушения образцов при пропаривании.
Сформованные образцы подвергали гидротермальной обработке в пропарочной камере при температуре 90-95 С по режиму: подъем температуры - 1,5 ч, время изотермической выдержки -9 ч, снижение температуры - 1,5 ч. Общее время пропаривания составило 12 ч. Материалы получаемые автоклавным способом, запаривали в лабораторном автоклаве при давлении 0,2-0,8 МПа по режиму 1,5-9-1,5 ч.
Испытания на предел прочности при сжатии проводили по ГОСТ 8462-85 [150] по истечении 2 сут после пропаривания. Образцы при этом выдерживались при комнатной температуре.
Перед испытанием образцы взвешивали и определяли их среднюю плотность. Среднюю плотность образцов каждого состава вычисляли как среднеарифметическое значение всех образцов этого состава. При определении объема образцов длину каждой грани вычисляли как среднеарифметическое трех измерений.
При определении предела прочности при сжатии испытуемый образец устанавливали на нижнюю плиту гидравлического пресса так, чтобы направление приложенной силы было параллельно слоям формуемой смеси при ее уплотнении. Нагружающее действие на образец было постепенным, скорость нарастания нагрузки составляла в пределах 0,4-0,6 МПа.
Свойства силикатных материалов на основе супеси в зависимости от давления гидротермальной обработки
Силикатный камень на основе энергосберегающего сырья (песчано-глинистых пород) - искусственный каменный строительный материал на основе минерального вяжущего, в качестве которого используется известково-песчано-глинистое вяжущее (ИПГВ), приготавливаемое путем совместного помола извести и песчано-глинистой породы.
Силикатные материалы на основе песчано-глинистых пород должны удовлетворять требованиям ГОСТ 379-95 [156].
Разработаны нормативные документы для организации производства силикатных камней и стеновых блоков с использованием энергосберегающего сырья (приложения 2-5).
Силикатный утолщенный кирпич размером 250x120x88 мм, средней плот-ностью 1650-1850 кг/м весом 4,4—4,8 кг и высокопустотный (с 14 пустотами, диаметр отверстий 30-32 мм, пустотность 28-31 %) со средней плотностью 1150— 1300 кг/м весом 3,0-3,4 кг применяется в качестве стенового строительного материала для наружных и внутренних несущих и ненесущих стенах возводимых зданий и сооружений. Технические требования к изделиям приведены в таблице 4.16.
Силикатный камень размером 250x120x138 мм с 14 пустотами (диаметр отверстий 30-32 мм, пустотность 28-31 %), весом 4,5-5,2 кг применяется в качестве стенового строительного материала для кладки несущих и ненесущих наружных и внутренних стен зданий и сооружений. Технические требования к изделиям приведены в таблице 4.17.
Отверстия в камнях должны быть несквозными и расположены перпендикулярно постели. Толщина наружных стенок пустотелых камней должна быть не менее 10 мм. Изделия относят к группе негорючих строительных материалов по ГОСТ 30244-94 [157]. Поверхности граней изделий должны быть плоскими, ребра - прямолинейными. Предельные отклонения от номинальных размеров и геометрической формы камней не должны превышать: - по длине, толщине и ширине - ±2 мм; - по параллельности граней - +2 мм. Технология производства силикатного камня на основе песчано-глинистых пород разрабатывалась на основе существующих производств силикатного кирпича. Для производства силикатного камня применяют следующие материалы: негашеную комовую известь, песчано-глинистую породу и воду. Вяжущее: известково-песчано-глинистое, продукт совместного измельчения негашеной комовой извести и песчано-глинистых пород. Известь удовлетворяет требованиям ГОСТ 9179-77 [141] и ГОСТ 22688-77 [143]. Пригодность песчано-глинистых пород определяется лабораторными испытаниями, представленными. Вода должна отвечать требованиям ГОСТ 23732-79 [142]: - вода водопроводная, питьевая с рН не менее 4; - не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на S03) и всех солей более 5000 мг/л;
Измельченная негашеная известь поступает в приемный бункер 7 ленточным транспортером 4 из известково-обжигательного цеха. Песчано-глинистая порода подвозится автомобильным транспортом 1 и хранится на складе 2, оборудованном навесом. Здесь глина подсушивается в естественных условиях до влажности 12-14 %.
Измельчение породы происходит в валковой дробилке 3. После этого подготовленная к совместному помолу порода с помощью транспортера и элеватора 5 направляется в бункерный склад 6. Совместный помол извести и песчано-глинистой породы происходит в помольном отделении. С помощью ленточного транспортера и элеватора порода подается в расходный бункер помольного отделения 8. Аналогичная операция происходит и с известью.
После дозировки весовыми дозаторами 10 компоненты поступают на измельчение в шаровую мельницу 11. Полученное известково-песчано-глинистое вяжущее пневматическим насосом 12 по трубопроводу 13 транспортируется в расходный бункер смесеприготовительного отделения 74.Известково-песчано-глинистое вяжущее отдозированное весовым дозатором поступает в растворосме-ситель 16, где смешивается с необходимым количеством кремнеземистого компонента (песчано-глинистой породой) и воды, которая поступает из бункера 15 (смесь увлажняется до относительной влажности 12-14 %, что обеспечивает полное гашение извести и создание требуемой формовочной влажности).
Затем масса подается на широкий ленточный транспортер 17, накрывается кожухом и выдерживается до полного гашения извести. Для ускорения процесса гашения под кожух подается водяной пар. После гашения сырьевая смесь доув-лажняется в стержневом смесителе 18 и с помощью ленточного транспортера подается в расходный бункер прессового отделения 19. Затем через ленточный питатель 20 масса подается в револьверный пресс 21, где под давлением 20 МПа формуется сырец.
Готовая формовочная масса с помощью ленточного транспортера 4 поступает в бункер самоходного смесеукладчика 19, который транспортирует ее к формовочному посту, оборудованному виброплощадкой 20.
Для укладки форм на виброплощадку, съема их с изделиями и передачи в зону действия мостового крана 24 используется самоходный формоукладчик 21.
После процесса формования форма укладывается краном на тележку, которая доставляет ее в специальное, хорошо проветриваемое помещение, где выдерживаются изделия. В течение суток материал набирает прочность, при которой возможна распалубка. После распалубки изделия подсушиваются в естественных условиях до влажности 12-14 % в течение 2-3 сут. Затем поддон с изделиями устанавливается на тележку, которая передает его в зону действия мостового крана.
Мостовой кран помещает изделия в ямную пропарочную камеру 25, где происходит гидротермальная обработка по режиму: подъем температуры - 1,5 ч; изотермическая выдержка -8 ч; снижение температуры - 1,5 ч.
