Вяжущие для автоклавных строительных материалов. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Белгородский государственный технологический университет Им. В.Г Шухова

Утверждено научно-методическим советом

университета

Н. П. КУДЕЯРОВА

ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ АВТОКЛАВНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие для студентов направления 18.03.01Химическая технология

2-е издание, дополненное

Белгород 2018

1

УДК 666.965.21 (075) ББК 35.41я27 К 88

Рецензенты:

Ю.Д. Чистов, д.т.н., профессор, зав.кафедрой МГСУ; В.Е. Каушанский, д.т.н., профессор кафедры МИКХиС

Н.П.Кудеярова

К 88 Вяжущие для автоклавных строительных материалов: Учебное пособие/ Н.П. Кудеярова – 2- е изд. , доп.- Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2018.– 138 с.

В пособии описаны свойства сырьевых материалов для получения вяжущих автоклавного твердения, факторы повышения качества вяжущего и способы интенсификации автоклавной обработки. Приведены характеристики известково-белитового вяжущего и новых видов вяжущих.

Первое издание учебного пособия вышло в свет в 2006 г. Учебное пособие предназначено для студентов очной и заоч-

ной форм обучения направления 18.03.01 «Химическая технология» образовательная программа 18.03.01-02 Химическая технология вяжущих и композиционных материалов.

Публикуется в авторской редакции.

УДК 666.965.21 (075) ББК 35.41я27

© Белгородский государственный технологический университет (БГТУ им. В.Г. Шухова), 2006

© Оформление. БГТУ им. В.Г. Шухова, 2018, с измененниями

2

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач промышленности строительных материалов ХХI в. является развитие отечественного производства высокоэффективных строительных материалов, среди которых важное место занимают материалы автоклавного твердения. В Российской Федерации традиционно производятся все основные виды строительных материалов и изделий, однако ассортимент и качество многих из них уступают соответствующим показателям продукции промышленно развитых стран. Это обусловлено исторически длительным отсутствием в Российской Федерации конкурентной среды и рыночных отношений.

Наметившаяся стабилизация производства строительных материалов и изделий и постоянное наращивание их объема по большинству видов требует дальнейшего совершенствования технологических процессов, направленных на улучшение качества и повышение конкурентоспособности продукции как на внутреннем, так и на внешнем рынке. Это заставляет обращать особое внимание на экономию материальных и топливно-энергетических природных ресурсов, максимальное использование местного сырья и отходов различных производств, а также на создание экологически безопасных строительных материалов и их технологий.

Вформировании свойств строительных материалов особое значение имеют различные и весьма многообразные по своим свойствам силикаты и гидросиликаты. В керамическом производстве важную роль играют алюмосиликаты, в стекольном – расплавы силикатов натрия, калия, бора, в цементном производстве – силикаты и алюминаты кальция. Так, бетонным и железобетонным изделиям на основе распространенного вяжущего цемента высокие строительные свойства обеспечивают гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Цементное производство относится к наиболее топливо- и энергоемким технологиям. Поэтому получение автоклавных вяжущих, позволяющих изготавливать высокопрочные изделия на основе гидросиликатов кальция из различных материалов за несколько часов, является весьма целесообразным.

Вструктуре производства продукции отрасли (в стоимостном выражении) стеновым материалам принадлежит второе место после сборного железобетона [1]; одно из ведущих мест среди этих материалов занимают изделия автоклавного твердения (силикатный кирпич, газосиликатные и плотные блоки и т.д.). Автоклавная обработка зна-

3

чительно ускоряет твердение строительных материалов. Так, известко- во-песчаные смеси (строительные растворы) при выдерживании на воздухе твердеют в течение нескольких месяцев и приобретают прочность на сжатие не более 1 МПа. Применение автоклавной обработки в течение 10…20 ч позволяет при меньшем расходе извести получать из известково-песчаных смесей строительные материалы и изделия прочностью 15…50 МПа и более. Автоклавная обработка дает возможность также использовать в качестве сырья для производства строительных материалов и изделий наряду с местными видами, например песками, многие виды промышленных отходов: шлаки черной и цветной металлургии, золы ТЭС и др. Эти отходы, не обладающие вяжущими свойствами в обычных условиях, при автоклавной обработке становятся активными компонентами сырьевой смеси, что позволяет получать на их основе строительные материалы и изделия высокого качества.

Впоследние годы изменились строительные нормы и правила при выполнении строительных работ, повышены требования к строительным материалам по теплофизическим и физико-механическим характеристикам. В частности, взято направление на снижение теплопроводности стен зданий и сооружений при одновременном повышении их прочности. Исходя из этого, повышаются требования к качеству и автоклавных материалов. К примеру, снижение теплопроводности силикатного кирпича как одного из основных представителей стеновых материалов, решается за счет увеличения пустотности и замены песказаполнителя на более легкие (пористые) компоненты. В последние годы отмечен значительный рост производства ячеистых изделий, высокая пористость которых позволяет снижать теплопроводность конструкций. Однако сохранение и повышение прочности таких изделий достигается при повышении качества вяжущего, основным видом которого для изделий автоклавного твердения является известковопесчаное вяжущее.

Внастоящее время производство автоклавных материалов стало важной отраслью промышленности. Высокие технико-экономические показатели производства, возможность использования различных сырьевых материалов и отходов промышленности обеспечивают более низкую себестоимость автоклавных материалов по сравнению с другими аналогичными по свойствам материалам. Так, на современных заводах себестоимость силикатного кирпича почти в 2 раза ниже глиняного кирпича. Масса наружных стеновых панелей из ячеистых автоклавных бетонов в 3-4 раза ниже кирпичных и в 2 раза ниже керамзитобетонных. Длительность производственного цикла для красного кирпича составляет 5-6 суток, а иногда и более, тогда как для силикат-

4

ного кирпича – всего 15-20 ч. Такой короткий цикл производства наряду с другими технико-экономическими показателями определил темп развития этой промышленности.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В классификации вяжущих веществ, основу которой составляют состав, основные свойства и области применения, выделена группа вяжущих веществ автоклавного твердения, которые эффективно твердеют при автоклавной (гидротермальной) обработке в течение 6-10 ч при давлении насыщенного пара (9-13 ат) [2]. В эту группу входят вяжущие вещества, состоящие из извести и песка или других кремнеземсодержащих компонентов и силикатов кальция, объединяющим для которых является гидротермальный режим твердения

История возникновения автоклавных материалов связана с желанием людей получить высококачественные материалы в условиях приближенных к природным. Многие природные минералы, для синтеза которых необходимо наличие воды, повышенного давления и температуры, образовались в гидротермальных условиях. Моделирование природных процессов в лабораторных условиях привело к получению многих подобных природным соединений и новых минералов. Впервые гидротермальный метод синтеза минералов при высоких температурах и давлении водяного пара был применен в середине XIX века выдающимся русским ученым К.Д. Хрущевым. Им были синтезированы из водных растворов роговая обманка, слюда и кварц. Ученые Франции, Германии, США и других стран работали над получением искусственных камней в автоклавах. Их исследования показали возможность получения прочных материалов при относительно низких температурах в присутствии воды или водяного пара. В 1880 г. немецкий ученый Михаэлис получил патент на «способ изготовления искусственных известково-песчаных камней из массы, содержащей гидрат кальция, бария или стронция, и песка или кремнеземсодержащих материалов посредством воздействия пара высокого давления при t = 130-300º С в подходящих для этого аппаратах » [3]. Тем самым он подтвердил, что при водотепловой (гидротермальной) обработке извест- ково-песчаных изделий, т.е. при воздействии пара, прочность их быстро возрастает и достигает значительной величины. Дальнейшее развитие идей Михаэлиса шло по пути изучения микроструктуры цементирующих веществ известково-кремнеземистого монолита, получения глиноизвестковых изделий автоклавного твердения, использования в качестве компонентов трепела, зол, шлаков и др.

5

Если в природе гидротермальные процессы протекают неопределенно длительное время и, как правило, заканчиваются образованием в основном равновесных соединений, то в технике они ограничены во времени, вследствие чего возникают метастабильные фазы. Характерным для протекания неравновесных процессов является малая скорость химической реакции. Возникновение новых соединений уменьшает концентрацию реагирующих компонентов в растворе. В первую очередь будут исчезать те фазы, взаимодействие которых обеспечивает наиболее быструю реакцию, и может создаться такое положение в системе, когда отдельные соединения не могут возникнуть из-за полного или частичного недостатка исходного вещества. При искусственном синтезе имеется возможность создавать любые концентрации и соотношения компонентов, что позволяет управлять фазовым составом автоклавного вяжущего, а значит его физико-химическими свойствами.

Изучением физико-химических процессов, протекающих при автоклавной обработке известково-кремнеземистых, магнезиальнокремнеземистых, известково-глинистых, цементных водных систем, занимались и занимаются многие исследователи. В начале прошлого столетия широко были развернуты научно-исследовательские работы, направленные на разработку и усовершенствование технологии автоклавных материалов, а также повышение их качества. Н.Н. Смирнов (1926 г.) установил, что цементирующее вещество в силикатных автоклавных материалах состоит из гидросиликатов кальция. А.В. Волженский в 1930-1932 гг. исследовал процесс автоклавной обработки силикатных материалов и определил основные стадии этого процесса, а также разработал методику теплотехнических расчетов автоклавной обработки силикатных материалов. Особенно большие успехи были достигнуты учеными в послевоенные годы. Работы П.П. Будникова, А.В. Волженского, Ю.М. Бутта, П.И. Боженова, И.А. Хинта, Л.М. Хавкина и других позволили углубить знания об основных закономерностях процесса автоклавного твердения силикатных материалов, составе и свойствах возникающих при этом новообразований, свойствах силикатных материалов и изделий. Результаты их работ показали, что прочность известково-песчаного камня определяется количеством образовавшихся гидросиликатов кальция и зависит от удельной поверхности исходных компонентов, продолжительности автоклавной обработки и давления водяного пара.

Россия была первой страной в мире, которая начала массовый выпуск силикатного кирпича, используя способ Михаэлиса. В начале XX века страна имела девять заводов, выпускающих 150 млн. штук

6

силикатного кирпича в год. Особенно быстрые темпы развитие производства кирпича имело после Великой Отечественной войны. Силикатный кирпич является одним из наиболее экономичных и распространенных в стране стеновых материалов. Он отличается сравнительно низкой стоимостью и хорошими строительными качествами: правильной формой, точными размерами и удовлетворительной прочностью.

Производство силикатного кирпича имеет ряд преимуществ по сравнению с производством глиняного кирпича. Оно характеризуется более высокой степенью механизации, компактностью технологического оборудования, коротким циклом производства и сравнительно низким расходом топлива. Все это обеспечило значительный рост объемов производства силикатного кирпича, и в конце XX столетия суммарная мощность заводов составляла около 20 миллиардов штук в год. В стране было освоено производство крупных силикатных блоков, разнообразных деталей и конструкций по автоклавной технологии. Были получены бетоны высоких марок (400…700) на заполнителях (песках) разного качества при полной замене цемента известью или отходами промышленности, содержащими силикаты кальция.

Со времени изобретения Михаэлисом автоклавного способа получения известково-песчаных изделий прошло немногим более ста лет и сейчас трудно представить строительную индустрию без автоклавных строительных материалов. Современное состояние технологии автоклавных строительных материалов включает получение изделий различного назначения и свойств, в том числе теплоизоляционных, конструктивных, штучных изделий и крупноразмерных конструкций. При этом в качестве исходных материалов применяют цементы, из- вестково-песчаные смеси и различные отходы производств. Высокие темпы жилищного строительства требуют значительного роста производства стеновых материалов и, в частности, автоклавных строительных материалов как более дешевых и эффективных.

2. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Технология и качество любых вяжущих материалов в первую очередь определяются физическими и химическими характеристиками исходного сырья. Изменения этих показателей неизбежно отражаются на технологических параметрах и на качестве получаемых вяжущих.

В технологическом процессе вяжущих автоклавного твердения, как и при производстве любых строительных материалов, определенное значение имеют все параметры сырьевых компонентов и смесей

7

на их основе: химический, минералогический и гранулометрический составы сырьевых компонентов, влажность и состав смеси, условия формования и автоклавирования. Все эти параметры в конечном счете определяют плотность и прочность искусственного камня.

При получении автоклавных материалов используется сырье, обеспечивающее образование гидросиликатов кальция. При автоклавной обработке последовательность процессов приводит к образованию наиболее устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция, у которых отношение СаО:SiO2 находится в пределах 0,8…1,2, что придает изделиям высокую механическую прочность. Поэтому правильный выбор сырьевых компонентов направлен на обеспечение соотношения основных оксидов в сырьевой смеси в этих пределах.

По классификации минерального сырья для производства автоклавных материалов, предложенной П.И. Боженовым, все сырьевые материалы объединены в две группы – химически активное сырье и механически активное сырье. В первую группу химически активного сырья составляют:

-вяжущие материалы - известь и цемент;

-компоненты, содержащие силикаты кальция и магния с коэффициентом основности менее 1,6 (шлаки, золы, спеки и т.д.);

-кислые силикаты и алюмосиликаты с коэффициентом ос-

новности менее 0 (кварцевые пески, горные породы с содержанием SiO2 более 40 %, отходы ГОКов и т.д.).

Механически активное сырье выполняет в основном роль заполнителя (мелкого или крупного). В основном это закристаллизованные разности с высоким содержанием кварца и силикатов [2].

Автоклавная обработка обеспечивает синтез цементирующей связки в искусственном камне (гидросиликатов кальция и магния различного состава и других гидратных фаз). Химически активное сырье является компонентом вяжущего и в условиях автоклавной обработки полностью превращается в новый продукт – смесь гидросиликатов. С целью раскрытия основной задачи образования новых соединений с характерными свойствами цементирующей связки в вяжущем автоклавного твердения необходимо рассмотреть основные свойства сырья и предъявляемые к нему требования.

2.1. Пески

Основным компонентом изделий автоклавного твердения является песок. Расходы песка на производство различных изделий велики. К

8

примеру, при производстве силикатного кирпича на каждую тысячу штук кирпича необходимо затратить около четырех тонн песка. Поэтому заводы по производству силикатного кирпича, ячеистых изделий и плотных силикатных бетонов располагаются, как правило, вблизи месторождений песка.

Песок – это рыхлое скопление зерен размером 0,1…5 мм различного минералогического состава. По происхождению пески бывают природные и искусственные. Искусственные пески представлены отсевами дробления горных пород, хвостами обогащения руд, отсевами твердых карбонатных пород, дроблеными отходами металлургического производства (из шлаков) и так далее, размеры частиц которых соответствуют приведенным выше.

Природные пески. Пески являются продуктами выветривания осадочных горных пород (гранитов, порфиров, гнейсов, полевых шпатов, карбонатов и т.д.), которые в дальнейшем были перенесены водой или ветром. Согласно общепризнанной классификации [4,5], все осадочные породы по условиям их происхождения разделяются на три группы: 1) обломочные; 2) химические; 3) органогенные.

Обломочные осадочные породы, к которым относятся пески, характеризуются неоднородностью состава. Отличаются они и абсолютными размерами обломков: зерна, слагающие эти породы, могут иметь размеры от микроскопических пылинок до крупных валунов и глыб. По крупности слагающих обломков эти породы делятся на четыре группы:

–грубообломочные, сложенные более чем наполовину обломками крупнее 1 мм в поперечнике (щебень, гравий, галька, глыбы, валуны);

–среднеобломочные, состоящие более чем наполовину из зерен размером от 1 до 0,1 мм (пески, песчаники);

–мелкообломочные, сложенные преимущественно зернами размером от 0,1 до 0,01 мм (лесс, супеси);

–тонкообломочные или глинистые, дисперсные, состоящие более чем наполовину из частиц размерами менее 0,01 мм (глины, мергели, глинистые сланцы и так далее).

Нередко зерна песка по поверхности покрыты тонкой пленкой гидрогетита, что придает им ту или иную окраску. Наиболее распространенные минералы песков приведены в табл. 1

9

10