Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор
1.1. Виды газобетонов и газосиликатов, их сравнительная оценка 6
1.2. Известь для производства газосиликатов. Требования к качеству - 11
1.3. Особенности процессов образования ячеистой структуры при производстве автоклавных газосиликатов 14
1.4. Особенности технологии автоклавных газосиликатов и газобетонов - 20
Выводы. Цель исследований 23
ГЛАВА 2. Методология исследовательской работы
2.1. Характеристики материалов и объектов исследований 25
2.2. Методическое обеспечение работы 27
2.3. Условия образования, структура и свойства карбонатного шлама - 33
ГЛАВА 3. Теоретические основы стабилизации структуры газобетонов
3.1. Роль поверхностных явлений в процессе формирования ячеистой структуры 46
3.2. Роль карбонатных микронаполнителей в химических взаимодействиях 64
ГЛАВА 4. Принципы получения газосиликатов и газобетонов с использованием минеральных и органоминеральных шламов
4.1. Принципы получения карбонатонаполненных известей 68
4.2. Математическая модель максимальной плотности упаковки частиц межпорового пространства 13
4.3. Газосиликаты с использованием карбонатонаполненных из-вестей 78
4.4. Активация молотого кварцевого песка 82
4.5. Техническая эффективность карбонатонаполненных газосиликатов и газобетонов 85
4.6. Принципы получения гидрофобизированных известей и газосиликатов на их основе 85
4.7. Объемно гидрофобизированные газосиликат и газобетон 93
4.8. Техническая эффективность гидрофобизированных газосилика- 95 тов и газобетонов
ГЛАВА 5. Технология производства и технико-экономическая эффективность газосиликатов и газобетонов с улучшенными эксплуаатационными свойствами
5.1. Технология производства газосиликатов и газобетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками 98
5.2. Номенклатура изделий из газосиликата и газобетона 102
5.3. Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения газосиликатов и газобетонов с улучшенными эксплуатационными ха- 106 рактеристиками
5.4. Характеристика достоверности измерений 110
Общие выводы 119
Список использованной литературы 121
Приложение 1. Физико-механические свойства газосиликатов и газобетонов с улучшенными эксплуатационными свойствами
- Виды газобетонов и газосиликатов, их сравнительная оценка
- Характеристики материалов и объектов исследований
- Роль поверхностных явлений в процессе формирования ячеистой структуры
- Математическая модель максимальной плотности упаковки частиц межпорового пространства
Введение к работе
В настоящее время разработка теплоэффективных стеновых материалов имеет огромное практическое значение. Это связано с вводом в действие новых строительных норм по тешюпроводности ограждающих конструкций, направленное на понижение теплоэнергозатрат на отопление помещений. Постановлением Министерства строительства РФ № 18—81 от 11.08.95 г. требования приведенного сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций зданий увеличено в 2—3,2 раза по сравнению с требованиями СНиІІ— 11-3—79. В этих условиях толщину стен из керамзитобетона следует увеличить до 50—70 см, а из кирпича до 100—120 см, что с экономической точки зрения нереально [1-4]. Учитывая, что до ввода в действие новых норм толщина стены не превышала 63 сантиметров, можно понять насколько увеличиваются расходы на возведение зданий.
Теплоэффективные строительные материалы для ограждающих конструкций позволяют значительно понизить толщину стен жилых и общественных зданий, что не только сокращает объем строительных работ, но и уменьшает стоимость строительства в связи с понижением веса здания или сооружения и экономии на возведении фундамента [4-9].
Доказано, что всем требованиям к теплоэффективным материалам XXI века соответствует газобетон автоклавного и неавтоклавного твердения. Установлено, что газобетон может быть использован как материал для стеновых ограждающих консірукций, так и эффекгавный теплоизоляционный материал [10-14].
Появление и широкое распространение газобетонных изделий предопределило существенное повышение качества легкого бетона и, как следствие этого, долговечность ограждающих конструкций. Сравнительная оценка легких бетонов на основе пористых заполнителей с газобетонами указывает на преимущества последних по показателям прочности в 2 раза, о морозостойкости в несколько раз, что связано с особенностями их макроструктуры, в составе которой отсутствует крупный заполнитель. Последнее не всегда учитывается, а между тем исключение из состава бетонной смеси крупного заполнителя не только существенно сішжает стоимость и энергоемкость, но и весьма значительно повышает долговечность конструкций. Изделия из газобетонов в 1,3-1,5 раза экономичнее керамзитобетонних [15-16]. Хорошо известно, что с точки зрения теории прочности и морозостойкости строительных материалов структура газобетонов является наиболее целесообразной, так как она отличается высокой однородностью и наличием дисперсной пористости.
Однако выпускаемые промышленностью газобетоны нередко существенно отличаются между собой по наиболее важным показателям качества, зависящим во многом от вида и состава применяемых сырьевых материалов. Кроме того, производимые в настоящее время газобетоны имеют существенные недостатки: недостаточную прочность, высокое водопоглощенже и водо-насыщение, что приводит к невысокой долговечности.
Исходя из вышесказанного, можно отметить о необходимости дальнейшего совершенствования составов и технологии газобетона, как одного из наиболее эффективных материалов нового века.
Виды газобетонов и газосиликатов, их сравнительная оценка
В строительной практике, преимущественно, находят применение автоклавные газобетоны, которые по виду вяжущего условно можно разделить на следующие группы:
1. Газосиликаты, получаемые на основе смесей, в которых в качестве вяжущего используется известь с добавками цемента или шлака (золы);
2. Газобетоны, получаемые на основе смесей в которых в качестве вяжущего используется портландцемент с добавками извести, шлака или золы
3. Газошлакобетоны, в которых роль вяжущего играет молотый шлак с добавками извести или цемента;
В качестве кремнеземистого компонента наиболее широко используют кварцевый песок. Также применяют золу-унос от сжигания бурых и каменных углей, кислые металлургические шлаки, отходы глиноземного производства и т. п.
Вид кремнеземистого компонента входит составной частью в название газобетона. Например, при использовании золы применяют следующие названия: газозолобетон, газозолосиликат [17-21].
В каждом из этих газобетонов соотношение сырьевых компонентов меняется в широких пределах, что оказывает влияние на структуру, а также свойства газобетонных изделий. В связи с этим представляется целесообразным обсудить достоинства и недостатки обозначенных групп газобетонов и объективно сформулировать практические рекомендации по заводской технологии изделий и применению их в современном строительстве.
Цементные газобетоны имеют своих сторонников по причинам широкого распространения портландцемента. К нему привыкли, он удобен и в сознании специалистов не остается места для критических суждений о возмож ности снижения расхода и, тем более, полной замены смесями на основе вторичного сырья и местных сырьевых материалов. Между тем нам хорошо известно, что цементные бетоны, имеющие сравнительно большие деформации, обладают низкой трещиностойкостью, Это снижает их технологичность и способствует появлению проблем долговечности ограждающих конструкций. Причины низкой трещиностойкости цементных бетонов вытекают непосредственно из особенностей микроструктуры новообразований, обладающих высокой удельной поверхностью, определяющих активность твердой фазы под действием меняющихся условий окружающей среды. Повышенная деформа-тивность цементного газобетона связана также с наличием в них высокой концентрации гидратных соединений, содержание которых достигает 60-70 % от массы материала.
Качество цементных газобетонов во многом зависит и от организационных вопросов. Так, большинство предприятий получают цемент с различных заводов и неоднородность этого основного компонента сырьевой смеси создает крайне неблагоприятные условия для осуществления управляемого стабильно технологического процесса. В печати по этому поводу публикуются критические замечания и авторы их, в основном, требуют организации выпуска специального цемента для газобетонных изделий и с этим можно согласится, но только отчасти, так как цемент - энергоемкий и дорогой материал, а технология автоклавных газобетонов обеспечивает синтез цементирующих веществ высокого качества и из местных сырьевых материалов. Это более выгодно и с экономической точки зрения. Таким образом, цементно-песчаные смеси рекомендуется применять только для неавтоклавных газобетонов, тем более что современные методы тепловой обработки позволяют получать высококачественные изделия для самых различных областей строительства, включая монолитное домостроение.
Известково-песчаные смеси с добавками цемента, шлака или золы обеспечивают получение автоклавных газосиликатов с более высокими показате лями качества по сравнению с аналогичными из цементно-песчаных смесей, они удобны в производстве, экономичны. Но есть причина, мешающая их более широкому применению в заводской практике. Этой причиной является плохое качество выпускаемой извести, ее низкая однородность, неудовлетворительная организация работ по транспортированию и погрузо-разгрузочным работам. Такое невнимание к извести невозможно объяснить, тем более что она в настоящее время, вытеснена из растворов, где часто без этого вяжущего невозможно получить высококачественных отделочных покрытий.
На многих предприятиях при производстве газосиликатов пониженное качество извести компенсируется добавкой цемента. При этом необоснованно считают, что чем больше расход цемента, тем более надежными являются газосиликаты. Однако увеличение расхода цемента более 50 кг на 1 м3 изделий кроме ухудшения технико-экономических показателей и снижения трещино-стойкости изделий ничего не дает. Установлено, что при малом содержании цемента (около 10 % от содержания вяжущего) в составе смеси обеспечивается ускорение процессов формирования высококачественных гидратных соединений на основе известково-песчаных смесей [15-16]. При этом синтезируются низкоосновные полимерные системы, обладающие повышенными показателями прочности, особенно при растяжении, и небольшими деформациями. Это связано с формированием цементирующих веществ, обладающих высокозакристаллизованной микроструктурой.
При увеличении содержания цемента в составе смеси состав и структура гидратных соединений существенно меняется - увеличивается их основность, повышается концентрация новообразований в единице объема материала. Последнее оказывает негативное влияние на трещиностойкость изделий и для ее повышения на заводах применяют дополнительное армирование, специальные режимы автоклавной обработки и др.
Характеристики материалов и объектов исследований
Химический анализ материалов проводился в соответствие с ГОСТ 2642.0 -2642.12-81.
Дифференциально-термический анализ осуществлялся на дериватографе типа Q-1500D системы Ф.Паулик, И.Паулик и Л.Эрдей (Венгрия). Принцип его действия основан на одновременном регистрации на бумаге четырех кривых нагревания для материала, температурной (Т), дифференциальной температурной (ДТА), интегральной изменения массы образца (ТГ) и дифференциальной кривой потери массы образца (ДТГ). При нагревании происходит изменение физико-химических свойств пробы, сопровождаемые поглощением тепла и изменением массы пробы, характерных для каждого минерала. Термические и массовые эффекты, отражающие процессы, происходящие при нагревании образцов, записывались в виде кривых на фотобумаге с помощью зеркальных гальванометров. Диагностирование минералов и их смесей по термограммам осуществлялось при сопоставлении их с термограммами эталонов по справочникам [95-98].
Рентгеноструктурный анализ выполнялся на дифрактометре типа Дрон-2 порошковым методом с регистрацией результатов измерений на самопишущем потенциометре при непрерывном режиме. Материал, растертый до полного прохождения навески через сито 10000 отв. /см2, набивался в специальную кювету, которая во время съемки вращалась с заданной скоростью в собственной плоскости. Данный анализ основан на том, что каждой фазе на рентгенограммах соответствует определенный набор пиков различной интенсивности - набор межплоскостных расстояний. Диагностика минералов проводились по справочным таблицам. Количество кристаллических фаз определяли методом внутреннего стандарта, который заключается во введении вещества и сравнении интенсивности последнего с интенсивностью линий определяемого компонента.
Петрографический анализ проводился в проходящих и отраженных лучах света с использованием оптических поляризационных микроскопов МИН-7 и МИН-8 в иммерсионных жидкостях по ГОСТ 22023-76 при 300-500 кратном увеличении. Для более детального изучения структуры применялось фотографирование объектов с помощью фотонасадки к микроскопу. Фотографирование производилось фотоаппаратом "Зенит-12СД" на фотопленку "KODAK-400 GOLD".
Знак и величина электрокинетического потенциала минеральных веществ определялись по оригинальной методике при помощи прибора, принцип действия которого основан на явлении электроосмоса. Методика и прибор разработаны к.т.н., доцентом кафедры "Строительные материалы" СамГАСА Суховым В.Ю. [99].
Для характеристики электрокинетических свойств поверхностей отдельных компонентов формовочных смесей введен новый критерий - общий электрокинетический потенциал и предложена аналитическая зависимость для определения его величины: общ= SyA- г -Ь/100, мВ-см2/г, где Буд- удельная поверхность компонента, cwrVr; Ъ - содержание компонента в формовочной смеси, %; ,г - электрокинетический потенциал частиц компонента формовочной смеси, мВ.
Дисперсность материалов определялась на установке японской фирмы "Сэисин Ентерпрайз Ко., Лтд", схема которой представлена на рис. 2.2. При попадании лучей гелий-неонового лазера на кювету, в которой течет жидкость пробой порошка, происходит дифракция лазерных лучей посредством частиц и на фокальной плоскости получается явление дифракции Фраунго-фера. Это явление регистрируется 16 детекторами и путем анализа и обработки в ЭВМ получаются данные о распределении частиц но размерам. Пределами измерений размеров частиц является 0-192 микрона. Установка позволяет одновременно определять распределение частиц по объемам, сред ний диаметр частиц, распределение частиц по поверхностным площадям, распределение частиц по количеству.
Роль поверхностных явлений в процессе формирования ячеистой структуры
При получении газобетона, выделяющиеся в процессе химических реакций или физических превращений, пузырьки газа образуют эмульсию газа в жидкости. По мере увеличения размера пузырьков, как бы повышается концентрация такой эмульсии: в ней на долю дисперсионной жидкой фазы остается все меньший объем. Вязкая масса раствора образует связанную пленчатую структуру в виде общего каркаса, аналогичную той, которая образуется в пенах.
Теоретической базой исследований в области поверхностных явлений и устойчивости дисперсных систем послужили работы известных ученых Ре-биндера П.А., Дерягина Б.В., Урьева Н.Б., Чернышова Е.М., Щукина Е.Д., Ахвердова И.Н. и других [102-148].
Н.П. Песковым было предложено различать седиментационную и агрегативную устойчивости дисперсных систем. Седимептациошая устойчивость - это устойчивость системы против снижения потенциальной энергии частиц дисперсной фазы при их оседании под действием силы тя жести. Агрегативная устойчивость - это способность системы противостоять процессам, ведущим к уменьшению поверхности раздела частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой, то есть процессам слипания "первичных" частиц и образования агрегатов с прослойками или без прослоек дисперсионной среды. Условие агрегативной устойчивости системы, очевидно, должно обеспечивать существование (или создание) таких сил отталкивания между сближающимися частицами, которые способны помешать их слипанию под действием межмолекулярного притяжения. Признаком агрегативной устойчивости или агрегационного равновесия системы служит неизменность распределения частиц по их первичным размерам, то есть отсутствие агрегатирования. Агрегативная устойчивость может быть обусловлена замедленностью процессов коагуляции или массопереноса.
Агрегативная устойчивость может подразделяться на термодинамическую и кинетическую. Термодинамически устойчивой системой называется система, образующаяся вследствие самопроизвольного диспергирования одной из фаз. Согласно классификации Ребиндера П.А., термодинамически устойчивые системы называются лиофильными, а неустойчивые - лиофоб-ными. Понятие о расклинивающем давлении, введенное Дерягиным Б.В. в 1935 году, является основой термодинамически агрегативной устойчивости лиофобных систем. При взаимодействии сближающихся поверхностных слоев происходит резкое уменьшение толщины пленки, что вызывает возникновение расклинивающего давления [113, 132-134].
Известно, что энергетическое состояние дисперсно-зернистой системы существенно зависит от степени ее обводнения. Процессы формирования пленочной воды, а также возникновение при "обводнении" расклинивающего пленочного и стягивающего капиллярного давлений, областей их преобладающего существования рассматриваются в данной работе исходя из следующих предпосылок.
Дисперсные системы представляют собой сложные объекты с точки зрения их топологических свойств. Для характеристики связности пористого пространства используются числа Бетти [119-120, 127]. Согласно фундаментальной теореме топологии, две структуры топологически эквивалентны тогда и только тогда, когда все числа Бетти равны. Для исследуемых систем возможно определение чисел Бетти, однако практически эта процедура весьма сложна. В нашем случае, как показывает практика, достаточно ограничиться определением двух первых чисел Бетти.
Нулевое число Бетти Д) указывает на число изолированных кластеров в структуре, т.е. Ро - число отдельных компонентов, образующих структуру. Если Д 1, то структура содержит изолированные поры.
Математическая модель максимальной плотности упаковки частиц межпорового пространства
При разработке технологии газосиликата и газобетона с улучшенными эксплуатационными характеристиками за базовый вариант была принята схема немецкой фирмы "Итонг" ("Ytong"), используемая на ОАО "Коттедж". Данная технология предусматривает раздельный помол компонентов, причем кварцевый песок размалывается по мокрому способу, после чего производится гашение извести полученным песчаным шламом. Данный способ позволяет получать песок высокой дисперсности и сократить время помола. Однако использование схемы мокрого размалывания песка ведет к удорожанию оборудования по сравнению с сухим помолом. Поэтому, в дальнейшем будут рассмотрены обе технологии.
Типовой план производственного корпуса завода по выпуску изделий из газосиликата приведен на рис. 5.1. Отличительной особенностью технологической схемы газосиликата и газобетона, которые рассмотрены в главе 3 (карбонатонаполненных и гидрофобизированных) будет наличие дополнительных емкостей и дозаторов для карбонатного и нефтешлама.
Помол кварцевого песка для получения газосиликатов и газобетонов на активированном песке, а также объемно гидрофобизированных газосиликатов и газобетонов, производится по мокрому способу отдельно от извести. Для активации песка при помоле, в мельницу вместе с водой вводится 6-9 % карбонатного шлама (от массы сухих компонентов).
Полученный песчано-карбонатный шлам перекачивается пневматическими камерным насосом по трубопроводу в шламбассейн. В бассейнах уста новлены шламмешалки и подведен сжатый воздух, который способствует получению смеси постоянной плотности. Из шламбассейна шлам перекачивается в расходные емкости. На каждый смесительный агрегат имеется по две емкости, используемые поочередно; пока из одной емкости расходуется шлам, в другой производится его корректировка в соответствие с заданными плотностью и температурой. Подача шлама в газобетономешалку регулируется объемным дозатором. На этом же дозаторе смонтирована пропеллерная мешалка для приготовления водной суспензии алюминиевой пудры, которая по отдельному трубопроводу поступает в газобетономешалку.
Цемент со склада подается пневмотранспортом в расходные бункера смесительного отделения.
Комовая негашеная известь поступает на склад завода и оттуда по подземной галерее - в цех помола извести. Здесь ее измельчают в шаровой мельнице до заданной удельной поверхности.
Молотая известъ-кипелка системой шнеков и элеваторов направляется в расходный бункер смесительного отделения. Цемент и молотая известь из автоматического весового дозатора поступают через сборную воронку в газобетономешалку. Туда же дозируется песчано-карбонатный шлам (или песчаный шлам вместе с нефтешламом для объемной гидрофобизации газосиликата и газобетона).
После перемешивания компонентов, полученную смесь влажностью 50—60 %, заливают в формы, выдерживают до приобретения массивом необходимой сырцовой прочности в течение 2—6 ч, затем освобождают массив от формы, разрезают на изделия, калибруют их и направляют массив в автоклав. После автоклавной обработки массив разбирают, изделия упаковывают и складируют.
Рекомендуемая технологическая схема производства изделий из газосиликата приведена на рис. 5.2. эта же схема применима и для технологии газобетона, единственным отличием будет замена автоклава на пропарочную камеру.
Помол сырьевых компонентов для получения газосиликатов на специально погашенных известях, а также объемно-гидрофобизированных газобетонов производится сухим способом. При этом известь и песок могут размалываться как совместно, так и по отдельности (хотя и в данном случае часть песка измельчается вместе с известью - при соотношении 0,2-0,25:1). Преимуществом данной схемы является отсутствие громоздких шламбассейнов и устройства для корректировки плотности шлама в одном из расходных бункеров (во втором оно останется - для усреднения состава карбонатного и нефтешлама). Кроме того, при совместном помоле компонентов можно ограничится одной шаровой мельницей, что также снизит площадь, занимаемую производством. В остальном, технологическое оборудование остается неизменным.
Молотые известково-песчаная смесь, песок и цемент подаются в расходные бункера смесительного отделения. Их подача в газобетономешалку регулируется объемными дозаторами. Известково-песчаная смесь через сборную воронку подается в смеситель, одновременно туда же подается карбонатный (для газосиликата на карбонатонаполненной извести) или нефтешлам (для газосиликата на гидрофобизированной извести). При активном перемешивании в течение 5 минут начинается процесс гашения. После этого, в смеситель подаются остальные компоненты. В дальнейшем следуют те же технологические операции, что и для газосиликатов и газобетонов, изготовляемых при мокром помоле песка.
Производственная апробация технологии получения карбонатонаполненной извести и газосиликата на ее основе была произведена на ОАО "Жигулевский известковый завод". Совместный помол компонентов производился сухим способом. Акт производственных испытаний приведен в приложении 3.
