Учебное пособие 800233

силикатного компонента, для чего известь и компонент предварительно смешивали, затворяли водой и гидратировали. Компактирование смеси прессованием проводилось после завершения процесса гидратации извести в смеси.

Полученные сырьевые смеси при необходимости доувлажняли таким количеством воды, которое обеспечивало возможности формования и получения бездефектных образцов в виде цилиндров размером 30 × 30 мм. Прессование в случае модельных систем осуществлялось на гидравлическом прессе при удельном давлении 100 МПа.

С учетом результатов первого этапа исследований на втором этапе эксперименты проводили с использованием метода активного планирования. Применялось центральное (с центральной и «звездными» точками) композиционное (на двух уровнях с тремя факторами 23), исключающее случайные ошибки планирование. В качестве варьируемых факторов приняты массовая доля алюмосиликатного наполнителя по отношению к портландиту Н:П, влажность сырьевой смеси по показателю В/Т, прессовое давление Р.

Анализ участия природных и техногенных алюмосиликатов в формировании структуры композита проводили с использованием рентгенофазового (ДРОН-4), электронномикроскопического (растровый электронный микроскоп «JEOL – JSM-6380LV») методов анализа, метода инфракрасной спектроскопии (спектрометр «Vertex 70»).

Для композита оценивались средняя плотность, влажность материала в образцах после прессования, предел прочности при сжатии непосредственно после изготовления (через 1 ч), а также через 1, 3, 7, 28 сут после изготовления. Испытания вели в сухом и водонасыщенном состоянии, по которым вычисляли коэффициент размягчения материала.

Характеристики структуры и свойств исследуемых образцов оценивали по результатам испытаний малых выборок, количество образцов в которых составляло от 6 до 12. Доверительные интервалы оценок математического ожидания изучаемых показателей задавали с вероятностью 0,95. Относительная ошибка опытов в экспериментах не превышала 10 %.

Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландитоалюмосиликатных систем твердения

Возможность «структурного сочетания» алюмосиликатных компонентов с кристаллами портландита определяется их составом и неравновесностью энергетического состояния. Многообразие алюмосиликатных компонентов, представленных природными и техногенными их разновидностями (рис. 2), характеризуется различной реакционной способностью, как следствие различного энергетического их состояния, предопределяемого природными процессами образования компонентов или их технологической обработкой, например, термической активацией при обжиге, механо-химической активацией при помоле и т.п.

11

Рис. 2 – Положение компонентов на диаграмме Аl2О3- SiO2 - СаО

Расположение компонентов природного и техногенного происхождения их на тройной диаграмме СаО – SiO2 – Al2O3 позволяет выделить область, в которой они сосредоточены. Из выделенной области для исследований нами были выбраны два вида алюмосиликатных компонентов – цеолитовый туф (представитель природного типа), и отход производства керамики (представитель «техногенного» типа). Цеолитовый туф — наиболее интересный с позиции возможного структурообразования природный каркасный алюмосиликат, который обладает возможностью изменения химического состава кристаллов, а также формы и размеров внутрикристаллических пор, связанных с легкой перестройкой внутри каркаса и способностью замещения катионов в каналах на другие катионы. Бой керамического кирпича выбран как наиболее интересный представитель техногенного типа.

Осуществлено тестирование структурно-значимых физикомеханических и физико-химических характеристик этих двух видов алюмосиликатных компонентов, принятых для исследования. Дисперсным и элек- тронно-микроскопическим анализами показано, что тонкомолотые алюмосиликатные компоненты можно отнести к тонко- и микро-размерным (рис. 3).

По результатам рентгено-фазового анализа определено, что бой керамического кирпича включает кварц, шпинель, анортит, галуазит, а цеолит - клиноптиллолит, монтмориллонит, полевой шпат (рис. 4).

12

Рис. 4 - Рентгенограммы образцов: 1-тонкомолотого цеолитового туфа;

2- тонкомолотого боя керамического кирпича

13

На спектрограммах цеолитового туфа и боя керамического кирпича (рис. 5) наиболее интенсивная полоса при 1052 см -1 соответствует асимметричным валентным колебаниям связи Si-O-Si; полосы при 800 -780 см -1 связаны с валентными колебаниями связи Al – O связи, 1620 см -1 – полоса деформационных колебаний молекул воды.

Рис. 5 - ИК – спектрограммы образцов: 1 – молотого цеолитового туфа

2 - молотого боя керамического кирпича

Экспериментальные исследования на модельных системах

Целью проведения экспериментов на модельных системах являлось исследование возможности получения компактированного композиционного материала с выбранными компонентами алюмосиликатного состава природного и техногенного типа.

Установлено (табл. 3), что в А-варианте технологии при реализации I-го способа подготовки кристаллов портландита композит непосредственно после формования обладает относительно невысокой прочностью – 5 - 6 МПа как при использовании молотого боя керамического кирпича, так и цеолитового туфа. Однако к семи суткам прочность повышается до 10 и 11 МПа соответственно (табл. 3). Применение II –го способа подготовки портландита позволяет получить непосредственно после компактирования прочность 8 МПа, которая к

14

28 сут возрастает до 14,3 - 17,4 МПа.

Реализация Б – варианта технологии для указанных способов получения портландита обеспечивает формирование композита, обладающего прочностью непосредственно после компактирования 9-10 МПа, что в А-варианте технологии достигается только к семи суткам.

Таблица 3 Прочность портландито-алюмосиликатного композита в зависимости от способа получения кристаллов портландита при реализации варианта гидратации в присутствии наполнителя

Определено, что коэффициент размягчения прессованных портландитоалюмосиликатных композитов составляет 0,75 - 0,85. Это свидетельствует об относительно высокой водостойкости материала и доказывает, что прочность материала определяется возникшими связями физико-химического порядка, а не силами капиллярного стяжения.

По результатам модельных исследований для Б-варианта технологии, как наилучшего решения, предлагается применение II -го способа подготовки

15

кристаллов портландита, когда гидратация ведется при температуре воды и компонентов 100 0 С. Такое решение способствует получению максимума прочности образца после компактирования.

В раздельном А - варианте, который в целом уступает Б – варианту, рекомендуется реализовывать I - ый способ подготовки кристаллов портландита, когда гидратация СаО осуществляется в нормальных температурных условияхпри (17 ± 2) 0С. Это обеспечивает минимум дополнительных (на разогрев компонентов) энергетических затрат в технологии.

Методом электронной микроскопии (рис. 6) определено, что структура композита складывается из плотно уложенных кристаллов размером до 0,3 – 0,6 мкм, образующих слитный конгломерат.

Рис. 6 – Электронно-микроскопические фотографииРис.. Электроннопортландито-микроскопиче-алюмосиликатногокая фо ография

(с наполнителем в виде тонкомолотого цеолита) портландито-алюмосиликатного композита

композита с наполнителем:

(с наполнителем в виде тонкомолотого боя керами-

1- молотый цеолитовый туф, ческого кирпича)

2- молотый бой керамического кирпича

Данные ИК-спектроскопии (рис. 7), а также рентгенографические данные (рис. 8) свидетельствуют о формировании в композите связей как между кристаллами портландита, так и между кристаллами портландита и алюмосиликатным компонентом. На спектрограммах наблюдаются полосы валентных колебаний СаО – (560 -600 см -1), [Si, Al] – O при 900-1100 см -1 , на рентгенограмме отмечены пики, соответствующие как Са(ОН)2 - d = 2,63; 1,916; 1,68 Å), так и линии, характерные для низкоосновных гидросиликатов Са

(d = 3,34; 3,07; 2,42; 1,876 Å) и гидроалюминатов Са.

Проведенные структурные исследования свидетельствуют о том, что при использовании активных алюмосиликатных компонентов реализуются механизмы отвердевания за счет формирования кристаллических сростков, то есть кристаллитной структуры портландитовой матричной субстанции при одновременном образовании композитной структуры и развитии механо- физико-химических связей портландита с алюмосиликатным компонентом по обозначенным ранее механизмам.

16

2- молотого боя керамического кирпича

17

Исследование и оптимизация рецептурно-технологических факторов получения портландито-алюмосиликатного композита

Второй этап исследований проводили методом активного планирования эксперимента для решения трех оптимизационных задач, связанных с критериями цели: 1) максимума прочности непосредственно после формования; 2) максимума количества наполнителя в композите при условии достижения задаваемой прочности; 3) минимума величины прессового давления с условием получения регламентированной прочности. В качестве варьируемых факторов приняты массовая доля алюмосиликатного наполнителя по отношению к портландиту Н:П, влажность сырьевой смеси по показателю В/Т, прессовое давление Р.

Эти факторы для использованных видов наполнителя, способов и вариантов получения кристаллов портландита и формовочной смеси кодированы соответственно как Х1, %; Х2, %; Х3, МПа (табл. 4).

По результатам проведенных экспериментов и их математической обработки получены полиномиальные модели показателя предела прочности при сжатии (Rсж, МПа) и плотности (ρm , кг/м3 ) композита:

где обозначения {I, (А), К}, {II, (Б), К}, {I, (А), Ц}, {II, (Б), Ц}– соответству-

ют показателям Rсж и ρm пределу прочности при сжатии и средней плотности непосредственно после изготовления, при компактировании кристаллов портландита, полученных по I или II способу гидратации соответственно, по раздельной (А) или совмещенной (Б) технологии, (К) - с наполнителем– тонкомолотый бой керамического кирпича, (Ц) - с наполнителем– тонкомолотый цеолитовый туф.

18

При оптимальных рецептурно-технологических факторах получен материал, обладающий прочностью непосредственно после формования 10-14 МПа и упрочняющийся к 28 сут до 20 МПа, а к 500 сут - до 25 МПа. Рост прочности в материале объясняется образованием связей по обозначенным нами механизмам как в портландитовой матрице, так на границе матрицанаполнитель при реализации синтезного механизма формирования новообразований.

Практическая реализация результатов работы

Для двух вариантов технологии разработаны технологические схемы, а для совмещенного (Б - варианта), предлагаемого нами как наиболее перспективного, разработаны предложения к технологическому регламенту изготовления прессованного кирпича; в стендовых экспериментах изготовлена опытная партия прессованного кирпича размерами 250×120×88 мм.

На основе разработанных предложений к технологическому регламенту подготовлен вариант компоновки технологической линии по производству прессованного кирпича мощностью 5 млн. шт. в год. В качестве основного оборудования линии предлагается применение дезинтеграторов, гидраторов барабанного типа, прессов. Линия может входить в состав муниципальных центров строительного производства.

Предлагаемая технология на основе реализации механизмов контактноконденсационного твердения наряду с цементной (гидратационной), силикатной (гидротермально-синтезной) определяет еще один путь получения

20