Вяжущие для автоклавных строительных материалов. Учебное пособие

К мономинеральным пескам П.И.Фадеев рекомендует [5] относить такие образования, в которых основной минерал составляет не менее 90 % , а при содержании его от 10 до 90 % пески являются полиминеральными (табл.2).

Полиминеральные пески, в которых содержится менее 90 % кварца, называются малокварцевыми. К ним относятся полевошпатовые пески, которые образуются в основном при разрушении кислых кристаллических пород (гранитов, гнейсов и др.). Кроме полевошпатовых малокварцевых песков встречаются пески карбонатные и гипсовые, нефелиновые (на Кольском полуострове) и ильменитовые (на северном побережье Азовского моря). На Урале имеются месторождения магнезитовых и циркониевых песков. Содержание основных минералов в песках различно, что определяет их пригодность в производстве изделий автоклавного твердения.

рушения горных пород, подвергнутых многократному воздействию выветривания и денудации (перемещению). Основным минералом является кварц, содержание которого превышает 90%. В качестве при-

11

месей в кварцевых песках содержатся карбонаты, слюды, минералы глин, полевые шпаты, халцедон, опал, мергель, магнитный железняк и др. Чем больше в песке содержится кристаллического кремнезема (кварца) и чем меньше других минералов, тем выше его качество. В табл. 3 приведен химический состав песков некоторых месторождений.

0Т а б л и ц а 3

Химический состав песков

Содержание кварца в полевошпатовых песках составляет от 17 до 45 %, полевого шпата – от 23 до 70 %; в карбонатных песках содержание кварца – 7…45 %, карбонатов – 20…89 %. Значительные запасы

12

полевошпатовых песков имеются в районах Средней Азии и Казахстана, в Восточной Сибири, на Кольском полуострове и на Алтае.

Различия в химико-минералогическом составе песков влияют на их свойства: растворимость, твердость и активность взаимодействия с другими веществами. Минералы одного и того же химического состава могут вести себя по-разному, что обусловливается их различной кристаллической структурой.

В природных полевошпатовых песках содержание полевых шпатов достигает 50−70%. В зависимости от их вида минерала реакционная способность смесей на их основе меняется. Так, установлено, что калиевый шпат-микроклин менее активен, чем натриевый альбит. В смесях полевых шпатов с известью минералы по активности располагаются в следующей последовательности: альбит – микроклин – нефелин. Причем степень усвоения извести всеми этими полевошпатовыми минералами ниже, чем кварцем .[4].

Для определения пригодности песка, кроме его химического и минералогического состава, необходимо знать также гранулометрический состав и форму зерен песка, которые в совокупности влияют на формуемость сырьевых смесей и качество изделий. Форма зерен песка может быть окатанной (близкой к шарообразной), полуокатанной, полуугловатой (с неправильными очертаниями поверхности, острыми ребрами и притупленными углами) и угловатой (острые ребра и углы). Поверхность песчинок может быть гладкой, корродированной и регенерированной (с нарастаниями на зернах однородного материала).

Различают следующие разновидности песков:

– горные и овражные, состоящие из песчинок остроугольной формы с шероховатой поверхностью, что способствует хорошему их сцеплению с известью;

− речные и озерные, содержащие песчинки окатанной формы с гладкой поверхностью, которые плохо сцепляются с известью.

П.И. Фадеев разделяет пески по крупности зерен на пять групп с

Зерновой состав песка имеет большое значение в производстве автоклавных материалов, к примеру, силикатного кирпича, при формовании которого необходимо добиваться максимальной плотности, т.е. минимального количества пустот между зернами песка. Этого

13

можно достичь при смешивании зерен различной крупности, что способствует уменьшению количества вяжущего для заполнения пустот.

Л.М. Хавкин установил [6], что оптимальная упаковка зерен силикатной смеси (с учетом наличия в ней тонкодисперсных зерен вяжущего) находится в пределах соотношений трех фракций песка (крупного, среднего и мелкого) − от 9 : 3 : 1 до 16 : 4 : 1. При меньшем соотношении фракций зерна каждой последующей фракции не уплотняют, а, наоборот, раздвигают зерна предыдущей фракции, увеличивая при этом пористость. В соответствии с ОСТ 21−1−80, в песках, используемых для производства изделий ячеистой структуры, а также компонента вяжущего изделий плотной структуры ограничено содержание крупных зерен размером от 5 до 10 мм − не более 5 %. Для песков в производстве силикатного кирпича этот показатель ограничен

10 % [7].

Одной из технологических характеристик зернового состава песков является модуль крупности (Мкр), который представляет собой частное от деления суммы полных остатков на всех ситах стандартного набора на 100. Пример расчета модуля крупности приведен в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Результаты просеивания пробы песка

Рассчитанный по результатам таблицы модуль крупности будет

равен: Мк = (1+17+54+73+86+94)/100 = 3,25.

По модулю крупности пески подразделяются на следующие

Технические требования к пескам отражены в ОСТ 21–1–80 “ Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения”. Отраслевой стандарт распространяется на кварцевый, кварцевополевошпатовый песок и пески полиминерального состава, образовавшиеся в результате естественного разложения горных пород или являющиеся побочными продуктами их переработки.

15

По минералогическому составу в песках особо выделено содержание кварца как основного минерала для получения гидросиликатов кальция. Содержание кварца в песках, применяемых в производстве изделий ячеистой структуры, должно быть не менее 70 %., в вяжущем для получения плотных силикатных бетонов и в песке для силикатного кирпича – не менее 50 %.

В песках ограничено содержание пылевидных, илистых и глинистых частиц размером менее 0,05 мм. Реакционная способность глинистых включений зависит от минералогического состава. Основными минералами являются монтмориллонит, каолинит. Наиболее активны монтмориллонитовые глины, имеющие подвижную кристаллическую структуру. Каолинит менее активен ввиду «жесткой» кристаллической структуры. Размер глинистых частиц менее 0,002 мм. Минералы глин как каолинит, так и монтмориллонит в условиях автоклавной обработки не активны. Они почти полностью не участвуют в процессах твердения силикатных материалов, поэтому их роль в химических процессах взаимодействия минералов сырья близка к нулю. При высоком содержании глин создается прослойка между зернами песка и извести, что затрудняет их взаимодействие. Являясь мелкодисперсной породой, глины, с одной стороны, характеризуются высокой водоудерживающей способностью, что приводит к снижению морозостойкости изделий. С другой стороны, высокая пластичность глин играет положительную роль при формовании изделий, особенно в производстве силикатного кирпича - наличие глины в смеси улучшает ее формуемость. С учетом этих факторов содержание глинистых и илистых частиц в песках для производства изделий ячеистой структуры допускается не более 5 %, в песках для производства силикатного кирпича – не более 20 % и в песках для изделий из силикатного бетона – не более 15 % в вяжущем и не более 3 % в заполнителе.

Сернистые и щелочные соединения как хорошо растворимые будут изменять рН жидкой фазы в порах изделий в период автоклавной обработки. С одной стороны, изменение водородного показателя положительно отражается на растворимости кварца как наиболее трудно растворимого минерала. С другой стороны, наличие солей понижает коррозионную стойкость изделий, приводит к образованию пятен и высолов на их поверхности. Кроме того, попадая в конденсат и растворяясь в нем, они вызывают коррозию автоклава, конденсатоотводчика и труб, по которым выводится конденсат. Выброс сернокислых солей и щелочей экологически небезопасен. Исходя из этого, содержание сернокислых и сернистых соединений в пересчете на SO3 допускается не более 2 % в песках, используемых в производстве всех видов

16

автоклавных материалов. Содержание щелочей в пересчете на Na2O допускается в песках в минимальных количествах: для изделий ячеистой структуры – не более 2,7 %, как компонента вяжущего и заполнителя для силикатных бетонов плотной структуры – не более 3,6 %. В песках для производства силикатного кирпича этот показатель выше и составляет не более 7,2 %.

Содержание минералов слюды во всех случаях не должно превышать 0,5 %, так как эти минералы не вступают во взаимодействие с компонентами сырья в условиях автоклавной обработки. По причине слоистости структуры и способности легко расщепляться они затрудняют сцепление вяжущего с зернами кварца или заполнителя.

Песок, не удовлетворяющий требованиям ОСТ 21–1–80, может быть использован, если изделия на его основе удовлетворяют требованиям соответствующих стандартов и технических условий по строи- тельно-техническим свойствам.

Особый интерес вызывает пористость песков, которая, по данным В.В. Охотина, для рыхлонасыпанных окатанных песков возрастает с уменьшением диаметра их частиц, а в уплотненном виде она одинакова для всех фракций, за исключением мелкой фракции. Пористость остроугольных песков возрастает по мере уменьшения размера их зерен как в рыхлом, так и в уплотненном состоянии. В зависимости от крупности пористость песков изменяется таким же образом. Так, если крупные пески имеют пористость 35…39 %, то средние – 40 %, мелкие – 42…45 % и очень мелкие – 47…55 % . В связи с этим в технологическом процессе производства прессованных изделий повышенная пористость песков приводит к увеличению расхода вяжущего.

Важной технологической характеристикой песка является влажность, которая влияет в значительной мере на его объем и зависит от минералогического состава песка. Наличие примесей глины повышает влажность песков при одинаковых условиях, так как максимальная молекулярная влажность глин на порядок выше этого показателя для мелких кварцевых песков.

Объемная масса песков изменяется от влажности, гранулометрического и минералогического составов. Для сухого песка в рыхлом состоянии она колеблется в пределах 1500…1600, а в уплотненном – 1700…1900 кг/м3. При увеличении влажности до 5…7 % объем песка увеличивается, а при дальнейшем увлажнении – уменьшается.

Искусственные пески. К искусственным пескам относятся пески, полученные при дроблении горных пород (гранитов, кварцитов и т.д.), обогащении полезных руд, а также пески, получаемые дроблени-

17

ем и сортировкой топливных и металлургических шлаков, золы и т.д. Огромны ресурсы вскрышных пород и попутно добываемых продуктов в таких отраслях промышленности, как черная и цветная металлургия, топливная и химическая промышленность и др. В настоящее время из земных недр в мире ежегодно извлекается более 100 млрд. т различного минерального сырья. После выделения из него наиболее ценных компонентов большая часть идет в отвал, в то время как эти отходы можно эффективно использовать для выработки более чем 40 видов строительных материалов.

Наиболее эффективно вскрышные и попутные продукты можно реализовать по схеме, предусматривающей их комплексное использование. Комплексное использование горнорудного сырья крайне важно и потому, что за последние десятилетия во всем мире добыча большинства полезных ископаемых увеличивается значительно быстрее, чем наращиваются разведанные запасы. Практика лучших предприятий промышленности строительных материалов и других ведомств подтверждает высокую эффективность применения отходов горнодобывающей промышленности в производстве различных строительных материалов. Так, в регионе Курской магнитной аномалии (КМА) при открытой разработке месторождений железной руды объем вскрышных пород и отходов обогащения может достигать значений 100 млн. м3 в год, которые занимают сельскохозяйственные земли и осложняют экологическую обстановку в регионе. Использование вскрышных пород КМА сегодня не превышает 8 %, однако и в этом случае экономический эффект значителен.

Исследования, проведенные в научно-исследовательских институтах и вузах страны, выявили принципиальную возможность использования целого ряда отходов в производстве автоклавных матеириалов. Так, в г. Оленегорске Мурманской области действует завод силикатного кирпича, использующий песок в качестве кремнеземсодержащего компонента из отходов обогащения - хвостов обогащения руд. В районе г. Старый Оскол Белгородской области работают два завода силикатного кирпича и завод силикатных материалов на вскрышных песках КМА. Особенностью песков является их мелкозернистость. С целью улучшения их фракционного состава на этих предприятиях предложено вводить отсевы кристаллических сланцев [8], позволяющие повысить прочность кирпича-сырца и качество силикатного кирпича. При введении в силикатную смесь до 10 % отсева дробления кристаллических сланцев с более высоким модулем крупности (Мкр = 3,0…3,35) в сравнении с исходным песком в результате создания плотной упаковки зерен при формовании прочность кирпича-сырца

18

была увеличена в 2 раза. Активное состояние кварца в отсевах привело к повышению качества силикатного кирпича после автоклавной обработки на целую марку. При выборе различных отходов необходимо учитывать, что технология производства строительных материалов основывается на точных законах химии и в каждом конкретном случае выбор искусственных песков должен быть обоснованным, прежде всего, в соответствии с требованиями отраслевого стандарта на песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения. Предпочтение отдается отходам с повышенным содержанием кварца и силикатов кальция.

В настоящее время ряд областей России не имеют месторождений песков требуемой гранулометрии, что приводит к использованию мелкозернистых песков, не всегда отвечающих стандартным требованиям. В результате увеличивается расход вяжущего на производство материалов, повышается их стоимость и снижаются строительнотехнические свойства. Отсевы дробления многих вскрышных пород можно рассматривать как укрупняющие добавки к песку при соблюдении требований ОСТ 21-1-80 на получаемую при этом смесь. Часть искусственных песков содержат активные минералы и могут рассматриваться как активные компоненты силикатных смесей (шлаки, золы и др.)

2.1.1. Кремнезем и его свойства

Водные и безводные соединения кремния с кислородом широко распространены в природе. Наиболее известны следующие разновидности двуоксида кремния: кварц, кристобалит, тридимит.

Кремнезем в природе распространен главным образом в форме α-кварца. При температуре 573 оС и атмосферном давлении α-кварц превращается в β-кварц. Последний при 870 оС переходит в α- тридимит, который при 1470 оС превращается в α-кристобалит. При температуре 1713 оС кремнезем плавится, образуется стекло. Высокотемпературная модификация β-кварца устойчива при температуре 573 оС, низкотемпературная модификация α-кварца – ниже 573 оС. Высокотемпературный β-кварц относится к гексагональной сингонии и образует обычно мелкие кристаллы дипирамидального облика. При охлаждении он перерождается в низкотемпературную форму (α- кварц), которая относится к тригональной сингонии и образует удли- ненно-призматические, часто очень крупные кристаллы [9].

Основой структуры всех модификаций кремнезема аналогично силикатам являются кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4-, которые,

19

соединяясь вершинами друг с другом, образуют каркасы. Сцепляются тетраэдры через вершины во всех модификациях, но ориентировка и общая симметрия в расположении различны. Неплотная упаковка ионов кислорода обусловливает наличие пустот между тетраэдрами в каркасах: мелких – в низкотемпературных модификациях и более крупных – в высокотемпературных. Альфа-кварц в химическом отношении – одна из самых устойчивых разновидностей кремнезема, обла-

последовательности увеличивается реакционная способность SiO2. Подобным образом изменяется твердость минералов. Альфа-кварц

Природные водные соединения кремнезема представлены группой опала SiO2·n Н2О (опока, трепел, кремнеземистый туф, диатомитовая и инфузорная земля и др.). Эти субстанции имеют микрокри-

20