Содержание к диссертации
Введение
Бесклинкерные системы твердения в производстве строительных материалов и изделий: состояние вопроса, обоснование задач и содержание исследований 12
1.1 Обзор работ по изучению бесклинкерных (бесцементных) вяжущих и систем твердения на их основе в сочетании с компонентам природного и техногенного состава 16
1.2 О концепции научно обоснованного решения формирования компактированных контактно-конденсационных систем твердения на основе матрицы из искусственного портландита и наполнителя алюмосиликатного состава 28
1.3 Возможные механизмы образования структурных связей в портландито-алюмосиликатных композитах 36
1.4 Задачи и содержание исследований 43
Структурообразующие компоненты бесклинкерных (изветковых) систем твердения и строительных композитов 46
2.1 Портландит - как структурообразующий компонент искусственного портландитового камня 46
2.2 Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов 53
2.3 Основные положения методики, методы экспериментальных исследований, применяемые материалы
2.3.1 Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов 66
2.3.2 Методы определения физико-механических характеристик материалов
Экспериментальные исследования по получению контактно конденсационных систем твердения и композитов 70
3.1 Разработка способов получения индивидуальных микроразмерных кристаллов портландита и обоснование условий их консолидации в мгновенно упрочняющийся портландитовый камень 70
3.2 Изучение структурных особенностей выбранных алюмоси-ликатных компонентов 84
3.3 Оценка физико-химической активности алюмосиликатных компонентов 89
3.4 Исследование возможности формирования компактированных контактно-конденсационных структур композитов из портлан-дитовой матрицы и зерен наполнителя 3.4.1 Получение композиционного материала при реализации раздельной технологии ( А -варианта) 105
3.4.2 Получение композиционного материала при реализации совмещенной технологии ( Б -варианта) 110
3.5 Особенности формирования микроструктуры композитов и синтеза новообразований 115
3.5.1 Структурные особенности композита с природным наполнителем 115
3.5.2 Структурные особенности композита с техногенным наполнителем 121
3.6 Выводы 128
Исследование и оптимизация рецептурно-технологических факторов получения композиционных материалов на основе портландитовой матрицы и наполняющего материала алюмосиликатного состава 129
4.1 Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый цеолит 132
4.2 Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый отход керамического производства 145
4.3 Выводы 161
5 Инновационный потенциал исследований и технологических решений по получению компактированных контактно-конденсационных структур композитов из портландитовой матрицы и зерен наполнителя алюмосиликатного состава 162
5.1 Технологические решения производства портландито-алюмосиликатного безавтоклавного кирпича 162
5.2 Технико-экономическая целесообразность разработанных технологических решений по производству бесклинкерных безавтоклавных строительных композитов 169
5.3 Сравнение эффективности технологических разработок по принципиальным статьям затрат 172
Основные выводы 173
Список литературы
- О концепции научно обоснованного решения формирования компактированных контактно-конденсационных систем твердения на основе матрицы из искусственного портландита и наполнителя алюмосиликатного состава
- Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов
- Изучение структурных особенностей выбранных алюмоси-ликатных компонентов
- Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый отход керамического производства
Введение к работе
Актуальность. С древнейших времен известковые, известково- пуццолановые, известково-цемяночные, известково-глинитные вяжущие, составы которых наши предки нашли эмпирическим путем, широко и повсеместно использовались в строительстве. Еще в первой половине XX века эти вяжущие занимали значительное место в строительной практике. Развитие производства и относительная доступность цемента привели к существенному снижению спроса на многие бесклинкерные, в том числе и известковые (портландитовые) вяжущие.
Сегодня приоритеты научно-прикладных технологических разработок как традиционных строительных материалов, так и материалов новых поколений определяются актуализацией концепции и критериев ресурсосбережения и энергоэффективности. Поэтому на современном витке развития строительного материаловедения и промышленных производств, востребованными могут оказаться системы твердения и композиты, получаемые на основе портландита по энергосберегающей контактно-конденсационной технологии. В существе теории этой технологии, опирающейся и на наноподходы, лежит идея о том, что дисперсное аморфное или кристаллическое вещество, находящееся в нестабильном энергетическом состоянии, обладает способностью к конденсации и образованию твердого тела. Реализуя принципы этой идеи, возможно обеспечить формирование систем твердения и композитов из предварительно подготовленных и наделенных неравновесностью энергетического состояния нано- и микроразмерных кристаллов портландита, используемых в смеси с кислотными (включая алюмосиликатные) компонентами природного и техногенного типа. Такие смеси рассматриваются в работе в качестве объекта исследования. Изучение закономерностей структурообра- зования систем твердения и композитов при этом принимается в работе в качестве предмета исследований.
Таким образом, работа посвящена решению связанных с объектом и предметом исследований вопросов, относящихся к рассмотрению возможностей достижения твердого состояния строительных композитов на основе известковых (бесклинкерных) систем твердения в результате реализации управляемых механизмов контактно-конденсационного структурообразова- ния непосредственно в процессе компактирования смеси нано- и микроразмерных кристаллов портландита и частиц кислотных оксидов и их гидратов без применения тепловой обработки.
Постановка этих исследований отвечает принятой цели диссертационной работы - разработке технологии строительных композитов на основе компактирования кристаллов портландита и компонентов алюмосиликатного состава природного и техногенного типов, с учетом механизмов контактно- конденсационного структурообразования.
Задачи исследований: 1. Рассмотреть возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами
твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нано- и микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием.
-
Дать анализ механизмов структурообразования кристаллитной (портландитовой) и композитной (портландито-алюмосиликатной) систем твердения при сочетании нано- и микроразмерных кристаллов портландита с микродисперсными и тонкозернистыми алюмосиликатными по составу компонентами.
-
Исследовать закономерности получения индивидуальных нано- и микроразмерных кристаллов портландита с неравновесным энергетическим состоянием и предложить технологические варианты гидратации извести в различных условиях и сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом.
-
Экспериментально подтвердить возможность получения материала портландито-алюмосиликатного состава с учетом структурообразующей роли компонентов при формировании композита.
-
Провести оптимизацию составов и технологических режимов получения портландито-алюмосиликатного композита.
-
Оценить основные физико-механические характеристики полученного материала, разработать предложения к технологическому регламенту производства портландито-алюмосиликатных композитов и направления его практической реализации.
Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных научных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктуриро- ванных композитов нового поколения», в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ «Разработка и развитие основ конструирования высокотехнологичных функциональных строительных композитов нового поколения».
Научная новизна работы:
-
установлено, что возможность формирования в компактируемом композите различных по величинам прочных связей предопределяется мерой неравновесности энергетического состояния сырьевых компонентов, которое в отношении искусственного портландитового камня достигается изменением способов получения индивидуальных кристаллов портландита, а в отношении алюмосиликатного компонента - применением механо-химической активации посредством тонкого измельчения;
-
показано, что на развитие физико-химических явлений структурообразования и, следовательно, на прочность композита непосредственно после формования влияют состояние кристаллов портландита, определяемое способами их подготовки, а также технологическая вариантность получения портландито-алюмосиликатного композита по раздельной (А - вариант) и совмещенной (Б - вариант) технологиям подготовки сырьевых смесей, включающих природный алюмосиликатных компонент - цеолит и техногенный - керамический бой;
-
доказано, что при структурообразовании портландито- алюмосиликатного композита параллельно реализуются несколько его механизмов: механизм кристаллохимического двойникования при формировании связи «портландит-портландит», синтезный механизм образования новых фаз при развитии структурных связей «портландит-алюмосиликатный минерал», механизм кристаллохимической эпитаксии для связи «портландит - кальцит» и «портландит-кварц»; показано, что основными продуктами новообразований в портландито-алюмосиликатном композите являются гидроалюминаты и гидросиликаты кальция;
-
обоснованы и выделены определяющие условия и факторы, оказывающие влияние на формирование структуры и прочности композиций порт- ландита с тонкомолотым цеолитом, с тонкомолотой грубой керамикой; в состав этих условий входят способы получения кристаллов портландита, вариант технологического сочетания кристаллов портландита с кислотным компонентом, а также рецептурно-технологические факторы - массовая доля алюмосиликатного компонента, прессовое давление, влажность формуемой сырьевой смеси.
Практическое значение работы:
-
впервые методом компактирования получены композиты на основе матрицы из кристаллов портландита и природных и техногенных алюмоси- ликатных наполнителей, обладающие «мгновенной» прочностью до 10 МПа, которая к 28 сут возрастает более чем в 2 раза.
-
на основании вероятностно-статистических моделей, полученных при проведении эксперимента методом активного планирования, для трех вариантов оптимизационного критерия цели (максимума прочности непосредственно после формования; максимума количества наполнителя в композите для достижения задаваемой прочности; минимума величины прессового давления для обеспечения назначенной начальной прочности) предложены решения по составам исходных портландито-алюмосиликатных смесей и технологическим условиям, обеспечивающим формирование рациональных структур.
-
установлено, что энергозатраты в расчете на единицу измерения прочности композита, получаемого по «контактно-конденсационной технологии» в 2-3 раза ниже в сравнении с «цементной технологией» и на 20-30 % ниже в сравнении с «автоклавной технологией».
Прикладное значение диссертационных исследований заключается в разработке технологических вариантов получения бесклинкерных (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных алюмосиликатных компонентов; в обосновании решений по составам композита, обеспечивающим получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки; в разработке предложений по технологии изготовления мелкоштучных стеновых изделий и компоновочных решений производственных линий.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных оценок состава, структуры, состояния и свойств материалов, методов планирования экспериментов, моделирования и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.
Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлен «Технологический регламент на изготовление прессованного кирпича на основе кристаллов портландита и тонкомолотого алюмосиликатного компонента», предложены компоновочные решения технологической линии производительностью 5 млн. шт. в год.
Теоретические положения и результаты исследований используются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских работ по дисциплинам «Основы научных исследований и технического творчества», «Методы исследования неорганических веществ и материалов» для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля 270800.62 «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», по дисциплине «Основы технологи строительных материалов и композитов» для бакалавров направления 020300.62 «Химия, физика и механика материалов».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), на международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, 2011 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (2009 - 2012 гг.).
Автор защищает:
- выдвинутые положения о возможных механизмах формирования структурных связей контактно-конденсационного типа в компактируемых портландито-алюмосиликатных композициях;
-
результаты комплексного исследования идентификационных структурных характеристик компонентов, входящих в состав композита;
-
разработанные технологические варианты получения кристаллов портландита при гидратации извести в различных условиях и вариантах сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом;
-
результаты экспериментальных исследований структурообразования и свойств портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов с использованием природных и техногенных сырьевых материалов алюмоси- ликатного типа;
-
результаты оптимизации составов и параметров получения портлан- дито-алюмосиликатных композитов контактно-конденсационного твердения;
-
предложения к технологическому регламенту изготовления прессованных мелкоштучных изделий из смесей портландито-алюмосиликатного состава и компоновочные решения технологической линии.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и содержит 197 страниц, включая 26 таблиц, 68 рисунков, список литературы из 166 наименований.
О концепции научно обоснованного решения формирования компактированных контактно-конденсационных систем твердения на основе матрицы из искусственного портландита и наполнителя алюмосиликатного состава
Сегодня отрасль стройиндустрии ориентирована на ресурсо-, энергосбережение и повышение экологической безопасности, что позволяет пересмотреть пути развития энерго-и материалоемких отраслей промышленности, в том числе и производства цемента. Долгое время актуальным и востребованным оставалась необходимость роста объемов производства клинкерного цемента. Однако, высокие затраты и материало- и энергоемкость конечного продукта, привели к необходимости поиска путей снижения объемов применения цементного клинкера в тех областях, где оно не совсем оправдано. Снижение энергозатрат возможно при применении портландцементов с минеральными добавками. Другое актуальное направление заключается в разработке технологии бесклинкерных известковых видов строительных материалов, получаемых по энергосберегающей безавтоклавной контактно-конденсационной технологии; в решении задач ресурсосбережения в строительстве посредством создания новых строительных материалов на основе местного сырья и отходов промышленности.
В истории развития строительства бесклинкерные, малоклинкерные вяжущие вещества, способные образовывать гидравлические системы твердения, использовались довольно широко. Большая их группа основана на применении известкового вяжущего.
По данным Значко-Яворского И.Л. [1] известковые материалы с отходами камнедробления и камнепиления начали применяться на Руси с древних времен. В XIV - XV вв. для отделки соборов использовали известково-карбонатные, из-вестково-цемяночные, известково-глинитные, извесково-зольные растворы. Все исследованные растворы Софийского собора, Успенского собора, руины у Золотых ворот содержат в своем составе известь и угловатые обломки цемянки розового и красновато-коричневого цвета размерами от 0,1 до 4-6, а иногда 15 мм в среднем 1-2 мм. В некоторых образцах отмечено содержание угловато-окатанных зерен кварца, иногда встречаются зерна полевых шпатов, кусочки угля. Для раствора, применяемого в качестве внутренней отделки куполов собора в Смоленске также были применены известково-цемяночные растворы, цемянка представлена тонким порошком и не обнаруживается невооруженным глазом. Известково-глинистый раствор, применяемый при строительстве Ивангорода, является сочетанием мало пластичного известкового вяжущего и довольно пластичного суглинка. Химические исследования растворов указывают на отсутствие в них свободного гидроксида кальция, но сохранились некарбонизированные гидросиликаты, гидроалюминаты кальция. Применение гидравлических добавок цемянки и карбонатных заполнителей в растворах Киева и других древнерусских городов не носило функционального характера и обусловливалось (при наличии и других местных материалов) соображениями прочности и долговечности монументальных сооружений.
С развитием производства цемента и индустриализацией строительства применение многих вяжущих практически прекратилось. Между тем «архаические» вяжущие, бесклинкерные композиционные материалы обладают высоким потенциалом эффективности и могут составлять основу для новых экономически значимых промышленных.
Для оценки актуальности и перспективности выбранного направления исследований необходимым явилось рассмотрение вопросов структурообразования материалов на основе извести и компонентов природного и техногенного типа различного состава, которые способны не только подмешиваться к структуре, а являться непосредственным участником структурообразования при формировании систем твердения и композитов. Сегодня в практике существует несколько способов достижения камневидно-го состояния материала [2-4]. Один из них - способ высокотемпературных реакций, предусматривающих метаморфические переходы в компонентах и обретение ими в результате этого способности к взаимодействию, либо перевод их в пиро-пластическое состояние - расплавление и получение после охлаждения твердого состояния. Это характерно при производстве стекла, керамики, фарфора и др.
Второй способ - гидратационное твердение, когда путем термической обработки получают обезвоженные (известь), низкогидратные (гипс) соединения или минералы (цемент), обладающие метастабильностью в жидкой среде и способных переходить в гидраты через растворение, коллоидацию, зародышеобразова-ние, кристаллизацию и приводящих к формированию прочного камневидного тела.
Третий способ заключается в синтезном твердении, когда не проводя высокотемпературного синтеза соединений из кислотно-щелочных оксидов, не получая силикаты и алюмосиликаты, а при более низких температурах (около 900 С) получаем один щелочной компонент (например СаО) и затем при повышении температуры и при наличие жидкой фазы организуем химическое взаимодействие между основным компонентом и кислотным (Si02, А1203) с образованием соединений, способных к реакции с СаО и образованию гидратов, таких же, как при гидратации цементного клинкера. Данный способ широко применяется в так называемой «силикатной» технологии.
Существует также еще один способ структурообразования - по принципу контактного твердения, который существенно отличается от трех выше названных. Теория контактно-конденсационного твердения предложена В.Д. Глухов-ским и Р.Ф. Руновой [5-6]. Твердение вяжущих, согласно этой теории рассматривается с позиций принципа конденсации, в основе которого лежит идея о том, что дисперсные вещества в силу своей энергетической нестабильности обладают конденсационной способностью, снижаемой по мере уменьшения свободной энергии этих веществ. Контактно-конденсационное твердение как явление перехода дисперсной системы в камнеподобное состояние характеризуется рядом особенностей. Оно реализуется только в тех случаях, когда структура вещества является нестабильной и оно находится в аморфном или субмикрокристаллическом состоянии. Необходимым условием контактного твердения является достаточная степень сближения частиц, что достигается прессованием. Характерным признаком образующихся контактов между дисперсными частицами является их водостойкость.
Большая группа минералов как природного, так и искусственного происхождения способны к контактно-конденсационному твердению. Эти минералы являются продуктами гидратации и дегидратации силикатов и алюмосиликатов, продуктами взаимодействия гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов с гранитом, базальтом, перлитом и др. Важную роль в технологии контактно-конденсационного твердения выполняет давление прессования, которое может изменяться от 20 до 1000 МПа и больше. Реализация технологии контактно-конденсационного твердения, позволяет иметь композиционные материалы, обладающие достаточной «мгновенной» прочностью без какой - либо тепловой обработки, применяя доступные приемы без значительных энергетических и трудовых затрат.
При формировании камневидного тела указанными способами и приемами в материалах протекают структурообразующие процессы, исследованием и изучением которых занимались различные школы ученых. Для нашей работы представляют интерес работы, в которых изучаются процессы структурообразования бесцементных (известковых) вяжущих и систем твердения на их основе в сочетании с природными и техногенными наполнителями.
Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов
Процесс разделения магмы приводит к образованию твердой кристаллической фазы и к выделению этой фазы из остаточного расплава, в результате чего в первую очередь образуются ультраосновные, затем основные, средние и кислые породы [109]. При этом происходит преобразование и усложнение кремнекисло-родных построек в силикатах: от простой структуры к цепочечным, ленточным, слоистым и, наконец, последней ступенью являются каркасные силикаты и алюмосиликаты, в которых атомы алюминия выполняют структурную функцию атомов кремния. Породы магматического происхождения представляют собой быстро охлажденные обломки горных пород или мельчайшие частицы лавы. Они содержат значительное количество кислого вулканического стекла, полевых шпатов, разрушенных плагиоклазов и других соединений [109 - 115.
В дальнейшем в результате механического, химического и биохимического выветривания разлагаются главные породообразующие минералы земной коры. При этом под действием химических реакций, таких как гидролиз, окисление и восстановление, гидратация, происходит образование осадочных пород алюмоси-ликатного состава. Составной частью осадочного слоя являются, в частности, глины, основа которых - силикатный минерал каолинит.
Таким образом, алюмосиликатные породы в результате своего образования претерпевали физико-химические превращения и изменения состава под действи 55 ем различных реакций, что способствовало формированию каркасные, слоистых, ленточных, цепочечных и других структур алюмосиликатов. Среди природных по происхождению алюмосиликатов необходимо выделить различные виды глин - бентонитовые, монтмориллонитовые, каолинитовые, огнеупорные глины, цеолиты, трепел, а также глиежи, горелые породы.
Многообразие алюмосиликатов объясняется разными способами соединения этих тетраэдров, которые обычно объединены вершинами с образованием связей Si-O-Si и Si-0-Al [116, 117]. У каркасных алюмосиликатов— непрерывный трехмерный каркас из тетраэдров, объединенных общими вершинами. Цеолиты — наиболее интересные с позиции возможного структурообразования каркасные алюмосиликаты, состав которых можно описать общей формулой M xM"y(Alx+2ySiz02x+4y+2z) nH20. Состав цеолитов может изменяться в широких пределах, образуя ряды твердых растворов. Основными факторами, влияющими на процессы образования цеолитов, являются: состав исходного материала, щелочность и состав поровых вод, давление и температура, проницаемость пород и характер циркуляции растворов, продолжительность процесса образования цеолитов. В природе цеолиты формируются в основном за счет преобразования вулканического стекла, глинистых минералов, гелей алюмосиликатов и полевых шпатов. В определенной мере цеолиты отражают химический состав исходного материала. В частности, из кислого вулканического стекла образуются высококремнистые цеолиты (клиноптилолит, морденит), из андезитового и базальтового — низкокремнистые (филлипсит, шабазит, анальцим) [118 - 126].
Кристаллические структуры цеолитов состоят из тетраэдров [Si04]4" и [АЮ 3, соединенных вершинами в ажурные каркасы, в полостях и каналах которых находятся катионы металлов и молекулы Н?0. Они характеризуются рыхлой структурой с широкими каналами. Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из цепочек анионов кремния и алюминия. Из-за своего строения каркас имеет отрицательный заряд и этот заряд компенсируется катионами щелочных или щелочноземельных металлов, находящихся в полостях-сотах. Цеолиты представляют особый интерес для научных исследований с позиции структурообразующей роли в сочетании с матрицей из искусственного портландита, как обладатели уникальных особенностей, проявляющихся в возможности изменения химического состава кристаллов, а также формы и размеров внутри кристаллических пор, связанных с легкой перестройкой внутри каркаса и способностью замещения катионов в каналах на другие катионы.
В глинах кремне- и алюмокислородные тетраэдры соединены в плоскости. Плоскости тетраэдров связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами или силами электростатического притяжения с помощью катионов, нейтрализующих отрицательные заряды плоскостей. Глиежи представляют собой «горелые» породы, образовавшиеся в результате обжига межугольных глин при самовозгорании угля под землей. Глиежи по своим физическим и химическим свойствам подобны глинам, обожженным при 800 — 1000 С. Горелые породы относятся к группе активных минеральных компонентов, которые способны поглощать из раствора ионы
94 Са . Известно, что их вводят (до 60 %) в портландцементный клинкер для получения пуццолановых цементов. С их применением возможно также получение из-вестково-пуццолановых вяжущих. По химическому составу горелые породы (так называемые горельники) - осадочные породы, обожженные вследствие горения породных отвалов (террикоников) - «кислый», высококремнеземистый материал. Для большего повышения активности горелой породы применяются механические (помол) и химический (добавки) методы [127].
Среди техногенных алюмосиликатных пород выделяются глиниты, цемянки, шлаки, золошлаковые смеси. Глиниты— тонкий порошок измельченный специально обожженной при 600—800 С глины с повышенным содержанием каолинита. Обжиг ведут до превращения химически малоактивного каолинита в метакао-линит Al203-2Si02, обладающий значительной активностью при взаимодействии с гидроксидом кальция и водой. Отходы керамического производства (цемянка) — порошок, получаемый тонким измельчением боя кирпича, черепицы и т. п.
Подобно тому, как в природе под действием различных процессов и в результате химических реакций происходит изменение и образование пород, в техногенных процессах похожие состояния минералов могут явиться результатом реализации технологии. Так при производстве керамического кирпича воздействие на глину высокой температуры приводит к модификационным переходам основных составляющих минералов, что меняет состав и свойства полученного продукта.
Эти состояния могут быть результатом реализации технологических воздействий, либо соответствовать изменениям, происходящим в природе. Вся цепочка представляет совокупность природных состояний, техногенных состояний как следствие целевого воздействия на глинистую породу, а также техногенных состояний для получения компонента применительно специально для технологии портландито-алюмосиликатных систем. То есть алюмосиликатным наполнителем для композита может явиться компонент, который образовался в результате техногенных целевых воздействий при реализации технологического процесса получения изделий, это, например, тонкомолотый бой керамического кирпича, также может быть компонент, который сформировался как отход или побочный продукт производства, и это шлаки, а также компонент природного происхождения и это например цеолит (рисунок 2.3 ).
Условия, определяющие химико-минералогические, физико-химические и технологические свойства алюмосиликатного сырья состоят как в возможности придания ему особого состояния, так и в соответствии минерального состава и в степени совершенства структуры минералов.
Изучение структурных особенностей выбранных алюмоси-ликатных компонентов
Формирование структуры рассматриваемого композиционного материала -сложный многоаспектный процесс взаимодействия компонентов с участием сил физического, физико-химического и химического порядка [72]. В состав определяющих условий управления величинами таких сил входят: - вид наполнителя; -объемное соотношение кристаллов портландита и наполняющего компонента в их смеси; - размер и форма кристаллов портландита и частиц наполнителя, предопределяющее число их контактов в единице объема композита; - энергетическое состояние кристаллов портландита; - энергетическое состояние поверхности частиц наполнителя. Укажем, что состояние кристаллов портландита определяется принятым способом их получения, а состояние поверхности частиц наполнителя - их видом, способом технологической подготовки, вариантом технологического сочленения с получаемыми кристаллами портландита.
Именно указанные условия определяют возможность организации и развитие физико-химических явлений структурообразования при реализации рецептурно-технологических факторов: массового соотношения матричного материала и алюмосиликатного наполнителя, влажности смеси, прессового давления при ком-пактировании.
В связи с многофакторностью технологии целесообразно в исследованиях использовать математическое планирование активного эксперимента, обеспечивающего получение вероятностно-статистических моделей, отражающих взаимосвязь свойств портландито-алюмосиликатного материала с системой указанных условий и рецептурно-технологических факторов. На основе этих моделей при назначении соответствующего критерия оптимальности возможно выявление рациональных решений получения композита.
Вся система обсуждаемых определяющих условий и факторов была разделена на две группы.
В первую группу были отнесены те из них, влияние которых на свойства композита необходимо выявить до проведения активного эксперимента, и затем значения этих факторов принять в качестве начальных и стабилизировать. В такие входящие исследуемые факторы включены вид наполнителя, а также способы [72] получения кристаллов портландита для матрицы и варианты сочетания кристаллов портландита с наполнителем. В результате к первой группе факторов отнесена технологическая вариантность получения композита по раздельному А-вариант и совмещенному Б - варианту (рисунок 3.23, 3.24).
А-вариант технологии заключается в предварительном получении кристаллов портландита по способам I-IV, а затем механическом их смешивании с тонкомолотыми алюмосиликатными компонентами; полученная смесь компак-тируется прессованием (рисунок 3.23). Б — вариант отличается тем, что процесс гидратации извести и кристаллизации портландита происходит по способам I-IV в присутствии алюмосиликатного компонента (рисунок 3.24), для чего известь и компонент предварительно смешиваются. Компактирование прессованием проводится после процесса гидратации извести в смеси.
Вторую группу составили технологические факторы, рациональные значения которых применительно к принятым условиям, как раз, требуется выявить. Для обозначенных условий такими рецептурно-технологическими факторами приняты, как уже указывалось, массовое соотношение алюмосиликатного наполнителя и матричного материала (Н : П), влажностный фактор (В/Т), фактор прессового давления (Рдаш,.), рассмотрение влияния которых и предусматривалось в активном планировании эксперимента.
На исследуемую систему всегда воздействуют и возмущающие факторы, значения которых изменяются случайным образом; влияние их потребуется оце 101
нить по статистической изменчивости параметров выхода, а именно - средней плотности композита рт, предела его прочности при сжатии непосредственно после формования RQ и во времени RT = R (т).
Таким образом, изучаемая система находится под одновременным влиянием стабилизируемых, варьируемых и случайных факторов и может квалифицироваться как стохастическая (рисунок 3.25).
Для оценки возможности контактно-конденсационного твердения в системах наполнителем выбран представитель природного типа тонкомолотый цеолит и представитель техногенного - тонкомолотый бой керамического кирпича. Частицы природного и техногенного наполнителя рассматривались в качестве участников контактно-конденсационных процессов, а также как компонентов, способных участвовать в формировании механо-физко-химических структурных связей с матричным материалом.
В случае реализации указанных четырех способов полученные кристаллы порт-ландита и наполнитель высушивались до постоянной массы при температуре (60 ± 5) С, а затем охлаждались до температуры (17 ± 2) С. Для получения модельных систем портландито-алюмосиликатного составов сырьевые формовочные смеси готовились путем смешивания сухих исходных компонентов и увлажнения их таким объемом воды, который обеспечивал условие формования и получения бездефектных образцов. Для исключения влияния рецептурно-технологических факторов на свойства материала для всех способов и вариантов соотношение известь: наполнитель выбиралось равным 1:1, исходя из возможности получения бездефектных образцов цилиндров размерами 3x3 см, при прессовании на гидравлическом прессе придавлений ЮОМПа.
Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый отход керамического производства
С использованием методов активного планирования экспериментов установлены оптимальные рецептурно-технологические факторы получения композиционных материалов на основе механизмов контактно-конденсационного твердения.
Определены оптимальный состав компонентов, влажность портландито-алюмосиликатной смеси, а также рациональное давление компактирования.
При применении в качестве наполнителя природного цеолитового туфа оптимальное значение влажности системы, для которой известь гидратирова-лась по А - варианту составляет 10 -12 % по массе, при этом предел прочности при сжатии после прессования может достигать максимального значения 11,3 МПа. Оптимальная влажность системы, для которой известь гидратирова-лась по Б - варианту 10-12 % по массе. Предел прочности при сжатии составляет 10,3 МПа.
При применении в качестве наполнителя техногенного отхода керамической промышленности оптимальное значение влажности системы, при реализации А-варианта составляет 9-11 % по массе, при этом предел прочности при сжатии после прессования может достигать максимального значения 10,2 МПа. Оптимальная влажность системы, при реализации Б - варианта соответствует 8-10 % по массе. Предел прочности при сжатии составляет 10,6 МПа.
Установлено, что оптимальная массовая доля наполнителя в портландито-алюмосиликатных системах контактно-конденсационного твердения составляет 28 - 30 %, при этом непосредственно после прессования достигается предел прочности при сжатии 10,2-11,3 МПа. Рациональное значение прессового давления составляет 100 - 110 МПа.
В данной главе, на основании исследований, которые были отражены в предыдущих главах, представлены разработанные технологические схемы для двух вариантов технологии. Для наиболее перспективного «совмещенного варианта технологии» разработаны предложения к регламенту по производству мелкоштучных стеновых изделий. Представлена комплексная оценка эффективности варианта получения композита портландито-алюмосиликатного состава. На основании разработанных предложений к регламенту подготовлен вариант компоновки технологической линии по производству мелкоштучных стеновых изделий для малоэтажного строительства. Такая линия может стать основой организации муниципальных центров строительного производства в рамках развития малого и среднего бизнеса.
Портландито-алюмосиликатный кирпич- искусственный строительный материал, на основе минерального вяжущего, в качестве которого используются предварительно синтезированные кристаллы портландита, получаемые при раздельной или совмещенной технологии их подготовки и алюмосиликатного компонента - цеолитового туфа. Кирпич размером 250x120x88 мм, средней плотностью 1700-1800 кг/м3, мае 164 удельной площади поверхности частиц = 6000 см / г подвергается гидратации водой с t=18 С. Полученный порошок в виде кристаллов портландита смешивается с алюмосиликатным компонентом в виде тонкомолотого цеолитового туфа с удельной площадью поверхности частиц = 9000 см / г.
Во втором (наиболее перспективном) варианте технологии известь и алюмо-силикатный компонент совместно размалываются до удельной площади поверх-ности частиц = 6000 см /г. Затем производят гидратацию извести в присутствии алюмосиликатного компонента водой затворения с t= 100 С.
Полученная портландито-алюмосиликатная смесь подвергается доувлажне-нию и тщательному перемешиванию в стержневом смесителе.
Формование кирпича производится на прессе при удельном давлении 100-110 МПа. Технология не предусматривает автоклавной обработки, поэтому изделия укладываются в штабель и формируют пакет с кирпичом, который после упаковки отправляется на склад готовой продукции и далее отгружается потребителю.
Весь цикл производства с момента поступления сырья на переработку до момента выпуска и складирования готовой продукции занимает 10-12 час. сой 4,4-4,7 кг может применяться в качестве стенового строительного материала для кладки несущих и ненесущих внутренних стен зданий и сооружений при малоэтажном строительстве. Изделия относятся к группе негорючих строительных материалов. Предельное отклонение от номинальных размеров и геометрической формы кирпича не должны превышать: - по длине, толщине и ширине - ± 2 мм; - по параллельности граней - ± 2 мм Для изготовления кирпича портландито-алюмосиликатного состава применяют: известь кальциевую негашеную (ГОСТ 9179-77 «Известь строительная. Технические условия»), вода (ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов. Технические условия»). В качестве алюмосиликатного компонента возможно применение двух их видов: - отходы керамической промышленности в виде боя керамического кирпича. Они являются отходами производства керамического кирпича, измельченными до тонкодисперсного состояния; - цеолитовый туф; Поступающая на завод известь должна храниться в условиях, исключающих прямое попадание осадков в виде дождя и снега. Основные положения технологической схемы (рисунок 5.1) заключаются в следующем. Известь, поступающая в кусках размером более 10 мм в поперечнике предварительно должна подвергаться дроблению.
Отходы в виде боя керамического кирпича, имеющие размеры более 10 мм, также должны подвергаться предварительному дроблению. Цеолитовый туф, проходит стадию дробления до размера кусков не более 10 мм.
