Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНОГО СЦЕПЛЕНИЯ
В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 18
1.1. Силы капиллярного сцепления между частицами дисперсных
систем 18
Капиллярное сцепление в дисперсных системах 27
Влияние влажности на свойства дисперсных систем в механике грунтов, производстве строительных и других
материалов 31
Выбор модельных систем 42
Измерение разрывной прочности как характеристики сил межчастичного взаимодействия в дисперсной системе
Величина сил капиллярного сцепления в сравнении с другими силами межчастичного взаимодействия в модельных системах
Закономерности изменения капиллярного сцепления в зависимости от влажности, удельной поверхности и пористости
системы
Расчет влажности, соответствующей максимуму капиллярного сцепления, для бинарных смесей 69
Выводы по главе 1 72
ГЛАВА 2. КАПИЛЛЯРНОЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ
В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 74
Структурообразование в трехфазных дисперсных системах 74
Капиллярные структуры в дисперсных системах 79
Связь капиллярного структурообразования с насыпной
плотностью дисперсных систем
2.4. Выводы по главе 2 96
ГЛАВА 3. ВКЛАД КАПИЛЛЯРНОГО СЦЕПЛЕНИЯ В РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И СЫРЦОВУЮ ПРОЧНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
3.1. Существующие методы и приборы для определения
реологических характеристик структурированных дисперсных
систем
3.1.1. Реологические характеристики структурированных
дисперсных систем
3.1.2. Определение реологических характеристик дисперсных
систем на коническом пластометре
3.2. Обоснование использования метода конического пластометра
для измерения предельного напряжения и вязкости дисперсных
систем
Основные предпосылки измерения вязкости методом погружения конуса
Выяснение истинной картины движения среды при внедрении конуса
Математическое описание вязкого течения, вызываемого внедрением конуса, и вычисление предельного напряжения сдвига
и вязкости
сред
4 3.4.3. Определение реологических характеристик материалов с
« ПО
коагуляционнои структурой первой степени IJU
3.5. Определение реологических характеристик уплотненных
трехфазных модельных дисперсных систем и сырьевых
композиций
Зависимости реологических характеристик уплотненного молотого песка от влажности, дисперсности и пористости
Влияние влажности на реологические свойства уплотненных модельных систем, включающих тонкодисперсную и грубодисперсную фракции ' ^6
Связь между влажностью известково-песчаных смесей,
реологическими свойствами и прочностью сырца силикатного
149
кирпича tHJ
3.9. Влияние капиллярного сцепления на реологические свойства
уплотненных трехфазных цементно-песчаных смесей '*>"
3.10. Влияние поверхностного натяжения жидкости и краевого
угла смачивания на реологические характеристики дисперсных
систем
Расчет водоцементного отношения, соответствующего максимуму капиллярного сцепления и значений реологических характеристик уплотненных цементно-песчаных смесей различного состава
Выводы по главе 3 '""
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ КАПИЛЛЯРНОГО СЦЕПЛЕНИЯ НА
УПЛОТНЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ПРЕССОВАНИЕМ ... хт*
Краткий обзор работ по вопросам уплотнения прессованием сырьевых смесей в производстве строительных материалов
Выбор уравнения прессования порошкообразных дисперсных
систем
4.3. Разработка прибора и методики определения формовочных
свойств дисперсных систем 188
Расчет деформативных характеристик пресс-порошков и определение их воспроизводимости 194
Уплотнение дисперсных систем прессованием в зависимости
от их влажности и дисперсности 197
Влияние капиллярного сцепления на деформативные характеристики дисперсных систем 202
Выводы по главе 4 208
ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ ФОРМОВАНИЕМ КЕРАМИЧЕСКИХ
МАСС И ПРЕСС-ПОРОШКОВ 210
5.1. Влияние предварительной обработки глиняных масс на их
формование 210
5.1.1. Литературные данные о влиянии предформовочной
обработки глиняных масс на их реологические и формовочные
свойства : 210
Характеристика сырья и методика подготовки образцов керамических масс для испытаний 219
Влияние уплотнения и предформовочной обработки
глиняных масс на их реологические характеристики 221
5.2. Управление формованием и свойствами керамических плиток,
изготовленных из пресс-порошка распылительной сушки 228
Влияние давления и динамики прессования, влажности пресс-порошка на его уплотнение прессованием 230
Структура керамического пресс-порошка распылительной
сушки 236
Разработка методики определения пористости гранул пресс-порошка 240
Связь капиллярного сцепления с макроструктурой и
свойствами пресс-порошков 246
Определение оптимальных параметров прессования керамических плиток *-Jl
Связь между плотностью полуфабриката и водопоглощспием обожженных плиток 257
Алгоритм управления процессом формования керамических
плиток *--
5.2.8. Способ автоматического управления процессом прессования ""'
5.3. Выводы по главе 5 270
ГЛАВА 6. УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ПРЕССОВАННЫХ СИЛИКАТНЫХ И БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
НА СТАДИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ИХ СЫРЬЕВЫХ СМЕСЕЙ 272
Основные теоретические предпосылки 27-
Влияние капиллярного структурообразования в известково-песчаных смесях на прочность силикатного камня
Научно-прикладные аспекты управления структурой и свойствами прессованного мелкозернистого бетона на стадии приготовления сырьевой смеси
6.3.1. Влияние капиллярного структурообразования в сырьевой
смеси на прочность прессованного мелкозернистого бетона **'-'
6.3.2. Зависимость прочности мелкозернистого бетона от
количества цементирующего вещества при оптимальных
290
структурах ^w
6.3.3. Влияние гранулирования сырьевой смеси на прочность
мелкозернистого бетона -*ии
6.4. Выводы по главе 6 3*-
ГЛАВА 7. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТАННЫХ
МЕТОДИК В TEXIЮЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 304
7.1. Рекомендации по определению оптимальной влажности
сырьевой смеси и совершенствованию формовочного
оборудования в производстве силикатного кирпича 3"4
7.2. Методика управления процессом формования керамических
плиток
Ыеавтоклавный зольный ячеистый бетон и сухие зольные вспучивающиеся смеси
Вибропрессованные облицовочные и тротуарные плиты и бетонный кирпич полусухого прессования с применением
известняковой крошки
7.5. Выводы по главе 7 -*34
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 335
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение к работе
Актуальность работы. Основы строительного материаловедения базируются на стыке таких фундаментальных наук как физическая и коллоидная химия, механика деформируемого твердого тела, реология и других. Особое внимание должно быть уделено общим закономерностям связи структуры и свойств строительных материалов и изделий в рамках развиваемого в настоящее время научного строительного материаловедения (НСМ), а также целенаправленному созданию строительных материалов, изделий и конструкций с заданными структурой и свойствами в результате использования оптимальных технологических процессов.
Почти все строительные материалы и их сырьевые смеси, по крайней мере, на микроуровне, представляют собой дисперсные системы, т.е. микрогетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз. Интервал размеров частиц дисперсной фазы обычно составляет от нескольких нанометров до ~ 100 мкм и более. Характер структуры материала как дисперсной системы во многом определяют характер и величина связей или сил сцепления между структурными элементами. В зависимости от характера этих связей в дисперсных системах выделяют непосредственные атомные контакты в сухих порошках, сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовые), действующие между частицами через прослойки жидкой фазы в коагуляционных структурах, прочные фазовые контакты в конденсационных или кристаллизационных структурах дисперсных материалов. Помимо указанных видов взаимодействий и соответствующих структур необходимо выделить такие важные взаимодействия как капиллярные, проявляющиеся в трехфазных ("твердое-жидкость-газ") дисперсных системах, к которым относятся подавляющее большинство сырьевых (бетонных, растворных, силикатных и т.п.) композиций для изготовления строительных материалов.
Несмотря на всеобщность и универсальность указанных явлений,
только в последнее время благодаря работам таких отечественных ученых как П.А. Ребиндер, И.Н. Ахвердов, Ю.М. Баженов, И.И. Верней, А.Н. Бобрышев, Г.И. Горчаков, В.Т. Ерофеев, И.А. Иванов, Ю.Г. Иващенко, П.Г. Комохов, В.И. Калашников, В.В. Михайлов, А.В. Нехорошее, А.П. Прошин, И.А. Рыбьев, В.И. Соломатов, В.П. Селяев, Н.Б. Урьев, В.Г. Хозин, В.Д. Черкасов, Е.М. Чернышев, Е.И. Шмитько и других, роли поверхностных явлений в технологии и свойствах строительных материалов стало уделяться достаточное внимание. Не менее удивительным фактом, чем недооценка вплоть до недавнего времени поверхностных явлений в структурообразовании дисперсных систем, применяемых для производства строительных материалов, является также факт недооценки, а часто и полного игнорирования роли капиллярных сил в структурообразовании в трехфазных дисперсных системах, особенно приняв во внимания то, что капиллярные силы могут на порядок, а то и больше превышать другие силы межчастичного взаимодействия.
В данной работе реализуется единый методологический подход к технологическим процессам, структуре и свойствам трехфазных дисперсных сырьевых композиций и полученных из них строительных материалов с точки зрения влияния капиллярного сцепления. На базе такого подхода удалось решить теоретические и практические вопросы управления и оптимизации структуры и свойств прессованных строительных композитов: силикатного кирпича, прессованного мелкозернистого бетона, - на стадии приготовления их сырьевых смесей, разработать оригинальные методики исследования реологических свойств уплотненных твердообразных дисперсных систем, а также формовочных свойств этих систем при уплотнении прессованием. Это дает основание квалифицировать представляемую диссертационную работу как решающую данную научно-техническую проблему и имеющую значение для народного хозяйства.
10 Результаты исследований и разработки, представленные в диссертации,
выполнены автором и под его руководством на кафедре производства
строительных изделий и конструкций Тверского государственного
технического университета (ТГТУ), в том числе в рамках целевых
государственных и межвузовских научно-технических программ
("Строительство и архитектура", "Научные исследования высшей школы по
приоритетным направлениям науки и техники"). В 2003 г. такие работы
продолжены по двум темам программы МНТП: "Разработка технологии
производства вспучивающихся сухих смесей для получения неавтоклавных
зольных ячеистых бетонов с использованием местного сырья" (раздел 211.02
— Строительные материалы, энергосберегающие и экологически безопасные
технологии их производства) и "Разработка технологических вариантов
получения строительных материалов на основе отходов деревообработки"
(раздел 207.10 - Природоохранные технологии, переработка и
воспроизводство лесных ресурсов).
Целью работы является выявление закономерностей изменения структуры и свойств трехфазных дисперсных систем под действием капиллярного сцепления для разработки научных и практических методов управления технологическими свойствами сырьевых смесей и повышения прочности прессованных строительных композитов.
Поскольку для процессов приготовления и переработки сырьевых смесей в производстве строительных материалов наибольшее значение имеют их плотность в насыпном и отформованном состояниях, реологические свойства, особенности перемешивания и уплотнения, в задачи работы входит установление закономерностей влияния влажности на указанные главные в технологическом плане характеристики сырьевых смесей при различных их составе и дисперсности.
Важным направлением работы является изучение структур, образующихся в дисперсных системах под действием сил капиллярного сцепления, и связи структуры сырьевой смеси со свойствами
свежесформованных изделий и прочностью готовой продукции в производстве прессованных строительных композитов.
С учетом поставленной цели задачи работы можно конкретизировать следующим образом:
1. Углубить знания о действии капиллярного сцепления в трехфазных
дисперсных системах, применяемых для изготовления строительных
материалов, изучить механизм и закономерности его проявления при
различных значениях влажности и дисперсности систем.
2. Изучить структурообразование в дисперсных системах под
действием капиллярного сцепления как теоретическую предпосылку
формирования оптимальной структуры сырьевых смесей прессованных
строительных композитов, оказывающего влияние на прочность готовых
изделий.
3. Раскрыть связь капиллярного сцепления с изменениями плотности
дисперсных систем в насыпном и отформованном состояниях, их
реологическими и формовочными свойствами, особенностями уплотнения
при прессовании.
4. Используя результаты исследования капиллярного сцепления в
дисперсных системах как единую материаловедческую основу, обосновать
возможность управления технологическими свойствами сырьевых смесей и
повышения прочности прессованных композитов; разработать рекомендации
по совершенствованию технологии строительных материалов.
Важными задачами исследования, имеющими самостоятельное значение, являются развитие теоретической основы, разработка усовершенствованных методик и приборов для определения реологических свойств уплотненных твердообразных дисперсных систем, а также формовочных свойств этих систем при уплотнении прессованием.
Научная новизна работы. Усовершенствована физико-химическая модель и выявлен механизм действия капиллярного сцепления в трехфазных дисперсных системах. Установлен механизм влияния капиллярного
12 сцепления на плотность, связность, реологические и формовочные свойства
порошкообразных строительных смесей из значительно отличающихся по
дисперсности компонентов, что открывает возможность управления
технологическими свойствами сырьевых композиций в производстве
бетонных, силикатных, керамических и других строительных материалов.
Выявлены и изучены механизмы капиллярного структурообразования и условия образования ячеистых и ячеисто-глобулярных структур в трехфазных дисперсных системах и различной концентрации вяжущего у поверхности зерен заполнителей и в контактных зонах между ними в результате глобулирования сырьевых композиций. Установлен критерий максимального глобулирования и его причины.
Впервые на основе реальной картины деформирования дисперсной среды коническим индентором разработана теория пенетрационной реометрии для определения реологических свойств твердообразных водно-дисперсных систем. Показано, что изменение реологического поведения системы объясняется эстафетным характером процесса разрушения и восстановления ее структуры и структурно-механическими переходами, связанными с соотношением «внутренних» капиллярных сил, действующих между дисперсными частицами, и «внешних» капиллярных сил, действующих на поверхности раздела фаз в гранулах из частиц. Выявлено, что скачкообразные переходы из состояния влажного пресс-порошка в состояние концентрированной пасты происходит при влажности системы, соответствующей максимуму капиллярного сцепления и предельного напряжения сдвига.
Установлено, что влияние влажности системы на ее уплотнение прессованием до момента перехода системы в двухфазное состояние при определенном сочетании критической влажности и давления прессования определяется действием как капиллярного сил, так и сил внутреннего трения. Предложен способ определения формовочных свойств, в т. ч. упругого
13 последействия, и расчета параметров уплотнения пресс-порошков,
состоящих из непластичных и пластичных дисперсных компонентов.
Установлено, что более полное использование гидратационной и
связующей активности вяжущего в прессованных строительных композитах
достигается на стадии приготовления сырьевых смесей при влажности,
соответствующей их максимальному глобулированию. В этом случае жидкая
фаза играет роль усиливающего компонента, упрочняя материал за счет
перевода матричного цементирующего вещества из объемного состояния в
пленочное с более высокой прочностью и структурированностью. Это
открывает возможность повышения прочности готовой продукции в
производстве прессованных бетонных, силикатных и других строительных
материалов.
Практическая значимость работы связана с получением новых научно-прикладных данных, ставших основой для решения практических вопросов по совершенствованию технологий ряда известных строительных материалов и разработки некоторых новых материалов.
Разработаны:
- способ и методика определения реологических свойств
твердообразных дисперсных систем и конструкция пенетрационного
реометра ПРБ-2 для ее осуществления;
- способ и методика определения формовочных свойств дисперсных
систем при их уплотнении прессованием и конструкция соответствующего
прибора ПОФС-1;
- технологические основы управления формованием керамических плиток полусухого прессования, направленного на улучшение качества и снижение материалоемкости выпускаемой продукции. Данная методика может являться основой для создания системы автоматического управления процессом формования керамических плиток.
Обоснована возможность повышения прочности силикатного кирпича в среднем на 20% за счет применения оптимальной влажности сырьевой
14 смеси, соответствующей ее максимальному глобулированию. Предложены
способ экспериментального определения оптимальной влажности сырьевой
смеси по измерениям ее насыпной плотности, а также формулы для расчета
этой влажности.
Обоснована возможность использования грубодисперсных отвальных зол смешанного характера для получения неавтоклавного ячеистого бетона и разработана технология сухих зольных вспучивающихся смесей.
Подобраны составы, определены оптимальные технологические параметры, разработаны технические условия и технологические регламенты в производстве лицевого бетонного кирпича полусухого прессования, а также вибропрессованных облицовочных и тротуарных плит.
Новизна решений подтверждена 8 патентами и авторскими с ви детел ьствам и.
Реализация работы. Результаты исследований прошли производственную проверку или внедрены на следующих предприятиях и организациях: ЗАО "ТКСМ-2", г. Тверь (прошли производственную проверку и внедрены рекомендации по оптимизации влажности сырьевой смеси в производстве силикатного кирпича); ЗАО "Тверьстекло", г. Тверь и Харьковский плиточный завод (прошла производственную проверку методика управления процессом формования керамических облицовочных плиток и плиток для полов); ЗАО "Антикорстрой", г. Москва (разработаны технические условия и технологический регламент, налажен выпуск сухих смесей для получения неавтоклавного зольного ячеистого бетона); ООО "Стройинжиниринг" и ООО "Гранат", г. Старица Тверской обл. (разработаны технические условия и технологический регламент, налажено производство облицовочных и тротуарных плит, бетонного кирпича полусухого прессования) и др.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290600 "Производство строительных материалов, изделий и конструкций".
15 Вклад автора в решение проблемы заключается в разработке
основных научных гипотез, направлений исследований, постановке задач,
разработке оригинальных методик, выполнении исследований, анализе их
результатов и получении новых научных и практических данных.
Экспериментальные разработки и работы но внедрению в производство
технических и технологических рекомендаций, методик и приборов для
определения реологических и формовочных свойств сырьевых смесей
проведены под руководством автора и при его непосредственном участии.
Достоверность полученных результатов. Раскрытие
закономерностей и механизма действия капиллярного сцепления в трехфазных дисперсных системах и его влияния на структуру и свойства сырьевых смесей, а также свойства готовых изделий в производстве строительных материалов основывается на современных представлениях фундаментальных наук и развивающегося в настоящее время научного строительного материаловедения, современной методологии исследований, математического моделирования процессов. Экспериментальные разработки выполнены с привлечением непосредственных методов изучения структуры, на основе оригинальных методик и приборов, разработанных автором диссертации, на базе статистической обработки экспериментальных данных, в том числе с использованием вычислительной техники. Основные теоретические положения, выводы и рекомендации прошли производственную проверку, внедрены в учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 6 международных конференциях, в т.ч. 3 Академических чтениях РААСН, 11 всесоюзных и всероссийских конференциях и симпозиумах, а также республиканских, региональных и межвузовских конференциях, научно-технических советах ВНИИСтроммаш, НИПИСиликатобетон, координационном совещании ВМИИСтром, конференциях ТГТУ.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы более чем в 70 печатных работах, в том числе отражены в коллективном учебном пособии и 8 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы из 222 наименований и приложений. Работа содержит 358 страниц машинописного текста, в том числе 93 рисунка, 27 таблиц. Отдельным томом даны приложения, содержащие методики, протоколы и акты производственных испытаний, а также расчеты экономической эффективности.
Автор защищает:
механизмы действия капиллярного сцепления и его влияния на насыпную плотность, реологические и формовочные свойства трехфазных дисперсных систем;
механизмы капиллярного структурообразования и условия образования ячеистых и ячеисто-глобулярных структур в трехфазных дисперсных системах и различной концентрации вяжущего у поверхности зерен заполнителей и в контактных зонах между ними в результате глобулирования сырьевых композиций;
теоретические положения и способ определения реологических характеристик твердообразных водно-дисперсных систем с помощью пеиетрационного реометра, основанные на реальной картине деформирования дисперсной среды коническим индентором;
способ определения формовочных свойств, в т. ч. упругого последействия, и расчета параметров уплотнения пресс-порошков;
закономерности первоначального образования структуры в прессованных строительных композитах, характеризующейся оптимальным распределением цементирующего вещества у поверхности заполнителя и в контактных зонах и максимальным
17 количеством связей, на стадии приготовления сырьевых смесей при
влажности, соответствующей их максимальному глобулированию.;
практические рекомендации по определению оптимальных
технологических параметров приготовления сырьевой смеси и
формования изделий в производстве силикатного кирпича,
керамических изделий полусухого прессования, прессованных
мелкозернистых бетонных изделий, а также составы и технология
производства сухих вспучивающихся смесей для получения
неавтоклавного зольного ячеистого бетона.
