Технология вяжущих и композиционных материалов. Лабораторный практикум. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

Н.П. КУДЕЯРОВА, И.Н. БОРИСОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ВЯЖУЩИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Утверждено ученым советом университета в качестве учебного пособия для студентов специальности 240304.65 -Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

и направления 240304.62 - Химическая технология

Белгород

2013

УДК 666.965.21(075) ББК 35.41я27

К 88

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. С.В. Самченко (МГСУ)

канд. техн. наук, доц. Н.П. Бушуева (БГТУ им. В.Г.Шухова)

Кудеярова, Н.П.

К 88 Технология вяжущих и композиционных материалов: лабораторный практикум: учебное пособие / Н.П. Кудеярова, И.Н. Борисов.

– Белгород: Изд-во БГТУ, 2013.- 63 с.

В учебном пособии описана методика выполнения лабораторных и учебных науч- но-исследовательских работ по анализу качества сырьевых материалов и известковопесчаного вяжущего автоклавного твердения. Приведена типовая технологическая схема производства силикатного кирпича с указанием основного технологического оборудования и технологических параметров производства. Даны методы расчета состава силикатной смеси, расчет расхода воды на приготовление вяжущего. Описаны основные методы определения физико-механических и химических свойств вяжущего, физико-химические методы исследования процессов твердения вяжущего и строитель- но-технических свойств силикатного кирпича.

Учебное пособие предназначено для студентов III и IV курсов специальности 240304.65 - Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и направления 240304.62 – Химическая технология, выполняющих лабораторные работы научно-исследовательские работы в курсовом и дипломном проектах по производству силикатного кирпича.

Публикуется в авторской редакции.

УДК 666.965.21(075) ББК 35.41я27

© Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2013

3

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. Постоянное наращивание объема производства строительных материалов требует дальнейшего совершенствования технологических процессов, направленного на улучшение качества и повышение конкурентоспособности, что 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.

Автоклавная обработка значительно ускоряет твердение строительных материалов. Так, известково-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 наряду с местными видами сырья дает возможность использовать в производстве строительных материалов многие виды промышленных отходов. К ним относятся шлаки черной и цветной металлургии, золы ТЭС и др., которые в обычных условиях не обладают вяжущими свойствами. Эти отходы при автоклавной обработке становятся активными компонентами сырьевой смеси, что позволяет получать на их основе строительные материалы и изделия высокого качества.

В последние 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.

Автоклавные строительные материалы относятся к числу широко распространенных стеновых материалов. Их производство характеризуется более высокой степенью механизации и комплектностью оборудования, а удельные капитальные вложения, расход топливно-энергетических ресурсов, затраты на производство единицы продукции в 1,5–2 раза ниже по

4

сравнению с аналогичными показателями при производстве изделий естественного твердения с использованием цемента.

Современное производство автоклавных силикатных материалов – многостадийный процесс, включающий подготовку компонентов и измельчение вяжущего, усреднение и гашение силикатной смеси, формование и автоклавирование силикатных изделий. На каждой из перечисленных стадий технологического процесса протекают соответствующие изменения физико-химических свойств сырьевых материалов. Правильный выбор технологических параметров на каждом этапе производства и четкое их соблюдение в значительной степени определяют качество получаемых изделий. Поэтому контроль различных характеристик материалов на отдельных стадиях производства – необходимая составная часть технологического процесса. Для контроля широко используются различные химические, физико-химические и фи- зико-механические методы анализа.

Лабораторный практикум по технологии вяжущих и композиционных материалов проводится в виде научно-исследовательской работы студентов (НИРС). Особенностью такого вида работы студентов является их полная индивидуальность (каждый студент индивидуально получает тему исследования) и самостоятельное творчество. Выполняя научную работу по технологии автоклавных материалов, студент в лаборатории (в малых образцах) полностью воспроизводит технологический процесс производства этих материалов. Поэтому методика выполнения УНИРС базируется на основных методах исследования химических, физических и технологических свойствах сырьевых материалов и готовых изделий, составляющих основу технологического контроля производства автоклавных силикатных материалов.

Описанию всех методов предшествует краткое пояснение их теоретических основ. Содержание лабораторных работ и методика их проведения изложены в соответствии с требованиями действующих государственных отраслевых стандартов и технических условий.

Структура пособия соответствует этапам технологического контроля применительно к производству силикатного кирпича. По каждому методу испытаний представлены вопросы для анализа полученных результатов, ответы на которые позволяют управлять технологическим процессом производства автоклавных материалов.

Настоящее пособие предназначено для студентов III и IV курсов специальности 240304.65 - Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и направления 240304.62 – Химическая технология, выполняющих лабораторный практикум при

5

изучении специальной дисциплины «Технология вяжущих и композиционных материалов» и научно-исследовательские работы.

1. Типовая технологическая схема производства силикатного кирпича

Основными видами сырья для производства силикатного кирпича являются песок, известь и вода. В качестве компонентов вяжущего могут использоваться золы и шлаки от сжигания углей на ТЭС, металлургические шлаки, хвосты обогащения железных руд, отходы производства глинозема и другие, в качестве активных заполнителей - трепелы, опоковидные пески, отсевы горных пород после их дробления, а также различные добавки. К добавкам относятся: укрупняющие - крупные пески и отсевы плотных пород (известняки, кварциты, граниты, кварцитопесчаники, отходы ГОКов и др.); уплотняющие - мелкодисперсные компоненты (глина, зола, хвосты обогащения руд); пластифицирующие - глины, суглинки, пластификаторы; красящие - пигменты и красители, цветные отходы промышленности; добавки - электролиты и кристаллические затравки, ускоряющие процесс твердения кирпича в автоклаве (химические добавки - электролиты, бой силикатного кирпича)и др. [1]

По технологической схеме производства силикатного кирпича (схема приведена на рисунке) песок из карьера доставляется на завод автомобильным, железнодорожным или комбинированным транспортом. На предприятиях имеется крытое приемное отделение песка. Песок разгружается на решетку приемного бункера. В зимнее время крупные комки мерзлого песка дробят специальным агрегатом для дробления. Камни и крупные включения периодически удаляются автотранспортом [2].

Из бункерного склада, оснащенного при необходимости оборудованием для размораживания мерзлого песка, песок системой транспортеров подается на вибрационный грохот, на котором устанавливается два сита: верхнее с крупными ячейками 30x30 мм и нижнее – с мелкими 10х10 мм, что наряду с очисткой песка позволяет проводить его фракционирование. На грохоте из песка удаляются камни и разные включения размером более 20 мм (при производстве пустотелых изделий – более 10 мм). Включения поступают в бункер отходов и периодически удаляются автотранспортом в отвал. С помощью транспортирующей системы песок поступает в расходные бункеры помольного и смесеприготовительного отделений. Известь поступает на завод железнодорожным (при работе на привозной извести) или автотранспортом из силосов известкового цеха. Крытое приемное отделение обеспечивает выгрузку извести из полувагонов или хопперов (или с автомобильного транспорта).

7

Далее известь самотеком поступает в приемный бункер. Крупная известь, в частности, обожженная в шахтных печах и крупно гранулируемая из вращающихся печей (размером более 15 мм) системой транспортеров подается на дробление. На заводах силикатного кирпича при дроблении комовой извести применяют в основном щековые дробилки производительностью до 10 т/ч, которые обеспечивают получение требуемой после дробления фракции 0–10 мм. В последние годы с целью интенсификации процессов дробления комовой извести и помола вяжущего используют эффективные дробилки ударно-центробежного действия ОПД50С, а также роторные дробилки СМД-114 и СМД-85 производительностью до 55 м3/ч. Дробленая известь с размером кусков не более 10 мм подается в силосный склад извести. Со склада известь поступает в расходный бункер, откуда мелкодробленая негашеная известь пневмотранспортом подается в расходный бункер помольного отделения.

Силикатные заводы для приготовления вяжущего в основном используют негашеную дробленую известь и песок с карьерной влажностью 4–7 %. Основная часть влаги из песка удаляется в процессе перемешивания. Песок, известь и добавки (бой кирпича, краситель, шлак и др.) поступают из расходных бункеров в смеситель через весовые дозаторы. Точность дозирования является одним из важнейших факторов, влияющих на однородность силикатной смеси и прочность кирпича. Современная технология производства силикатного кирпича предъявляет повышенные требования к точности дозирования, которая должна составлять по массе: для извести ± 1%; для песка ± 2%.

Требуемая прочность сырца и хорошие внешние показатели кирпича достигаются при совместном помоле извести и песка в соотношении 1:1. Содержание молотого песка в смеси должно быть не менее 10%. Удельная поверхность измельченного песка в вяжущем должна находиться в пределах 150–200 м2/кг по прибору ПМЦ-500 при удельной поверхности вяжущего 400–450 м2/кг. Соотношение извести и песка в вяжущем может меняться в зависимости от качества измельчаемых компонентов и характеристик помольного оборудования.

Размол чистой извести приводит к замазыванию мельниц, налипанию на мелющие тела. Поэтому при ее измельчении обязательно добавляют твердый материал, предотвращающий агрегирование тонкодисперсных частиц извести и их налипание на шары и бронефутеровку. В качестве этой добавки используется кварцевый песок. Совместное измельчение компонентов способствует повышению качества вяжущего и готовых изделий.

При совместном измельчении извести и влажного песка вследствие гидратации части извести влагой песка удельная поверхность молотой смеси значительно возрастает (в случае отсутствия предварительного смешивания

8

компонентов перед помолом). Поэтому тонкость помола вяжущего рекомендуется практически оценивать не по удельной поверхности, а по остатку на контрольных ситах 02 и 008. С целью исключения гашения извести в мельнице при работе на быстро гасящейся извести и песках высокой влажности перед мельницей устанавливается смеситель.

Из расходных бункеров весовыми дозаторами песок и известь поступают на помол в шаровые мельницы типа CMM-205 или СМ-1456.

Продукт помола (вяжущее) шнековым питателем и системой пневмотранспорта подается в емкость для усреднения качества (гомогенизатор), откуда в расходный бункер вяжущего.

Природный песок, вяжущее и добавки весовыми дозаторами подаются в смеситель, куда дозатором подается горячая вода (конденсат). В смесителе происходит первичное перемешивание компонентов. По технологическим требованиям при первичном перемешивании необходимо добиться равномерного распределения в смеси извести и воды, что обеспечивает нормальное гашение и последующую обработку смеси в силосах. Количество воды должно обеспечивать полное гашение извести в силикатной смеси. Влажность загашенной смеси после силоса не превышает 3%.

Для первичного перемешивания на современных предприятиях используются высокопроизводительные двухвальные быстроходные смесители СМС-95. Смесители по своей длине условно делятся на несколько рабочих зон:

–первая зона для сухого перемешивания компонентов;

–вторая зона для перемешивания компонентов с их увлажнением (вода подается форсунками под давлением 0,3 - 0,4 МПа);

–третья зона для окончательного перемешивания увлажненной смеси. После перемешивания в смесителе система транспортеров подает

силикатную смесь на гашение. В основном гашение смеси осуществляется силосным способом, когда гашение смеси протекает в силосах периодического или непрерывного действия. В последние годы приготовление смеси осуществляется по вертикальной схеме с использованием силосов непрерывного действия, примером которых является силос-реактор РБ-13.

Продолжительность нахождения смеси в силосах должна обеспечивать полное гашение извести в смеси и определяется свойствами применяемого сырья и в, первую очередь, извести. Время гашения извести в силикатной смеси значительно больше, чем при гашении чистой извести за счет отвода тепла песком. Экспериментально установлено, что при полном гашении извести в вяжущем (в соотношении 1:1) температура гашения снижается на 5–15 °С, а при гашении в силикатной смеси (содержание извести в смеси до 10%) – почти вдвое при равных условиях гашения извести [1]. На скорость гашения извести влияют также водоизвестковое отно-

9

шение, состав смеси и температура используемой воды. Учитывая все эти факторы, необходимо обеспечить полное гашение извести в силосах, что отражается в технологическом регламенте на параметре выдержки смеси в силосах. Выдержка менее установленного времени приведет к разрушению сформованного кирпича после формования либо в автоклаве.

Для обеспечения бесперебойной работы реакторов смесь не должна налипать на их стенки и, особенно, на разгрузочную воронку. Это достигается поддержанием влажности выходящей смеси не более 3-3,5 %, специальными покрытиями стенок реактора изнутри и утеплением снаружи.

После выхода из силосов смесь системой ленточных конвейеров подается в смеситель на доувлажнение и дополнительное перемешивание. С этой целью используют двухвальный быстроходный смеситель серии CMC-95 или CMC-255. При наличии в смесях крупных включений глины и агрегированных плотных комьев можно устанавливать стержневой смеситель либо смеситель-растиратель.

Доувлажненная силикатная смесь ленточными конвейерами подается в расходные бункера прессов. Формование – одна из самых важных операций в производстве силикатного кирпича. Практически наибольшее число дефектов готового кирпича возникает в процессе формования сырца. Под действием формовочного усилия происходит сближение твердых частиц смеси, размещение мелких зерен между крупными и уплотнение смеси. По данным ВНИИстрома оптимальная упаковка зерен силикатной смеси находится в пределах соотношения крупных, средних и мелких фракций от 9:3:1 до 16:4:1.

Отечественные заводы оснащены в основном прессами СМ-816 и CMC-152, представляющими собой кривошипно-рычажные прессы револьверного типа с вращающимся 16-гнездовым столом. Давление прессования в них составляет 20 МПа. В последние годы предприятия устанавливают прессы зарубежных фирм, которые характеризуются высокой производительностью и хорошим качеством сырца. Отличающиеся в них механизмы прессования позволяют усилить удельное давление прессования до 30 МПа и увеличить число одновременно формуемых кирпичей до 10 – 14.

Отформованный сырец снимается со стола пресса и автоматомукладчиком укладывается на автоклавную вагонетку, которая направляется в автоклавное отделение. Автоклавная обработка заключается в гидротермальной обработке кирпича-сырца острым насыщенным паром – это основной процесс, в течение которого образуются химические соединения – гидросиликаты кальция, связывающие зерна песка в монолит. Режим обработки выбирается в зависимости от величины избыточного давления, типа сформованного изделия и выбранного автоклава. Автоклавы, ис-

10

пользуемые на предприятиях, работают в основном при давлении пара не превышающем 1,2 МПа – 1,6 МПа.

Свойства гидросиликатов кальция и их фазовый состав определяется тонкостью помола известково-песчаного вяжущего и режимом автоклавной обработки. Известно, что на первой стадии автоклавной обработки образуются в основном высокоосновные гидросиликаты, которые характеризуются относительно низкой прочностью и высокой морозостойкостью. С увеличением температуры в автоклаве и времени твердения концентрация кремневой кислоты в растворе увеличивается и создаются условия для образования низкоосновных гидросиликатов кальция, которым характерны высокие прочности.

После автоклавной обработки вагонетки с кирпичом откатываются на площадку склада готовой продукции. Готовые изделия подвергаются внешнему осмотру и контролю качества в соответствии с требованиями ГОСТ 379-95 [3]. Отгрузка кирпича осуществляется железнодорожным или автомобильным транспортом.

2. Л а б о р а т о р н ы е р а б о т ы Лабораторная работа № 1

Свойства воздушной строительной извести

Строительная известь ГОСТ 9179-77 (с изменениями от 1989 г.) представляет собой продукт разложения карбонатных пород при температурах 1000-1200 ºС. Строительная известь применяется для приготовления растворов и бетонов, вяжущих материалов и производства различных строительных изделий. Строительная известь в зависимости от условий твердения подразделяется на воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и на гидравлическую, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности как на воздухе, так и в воде [4].

Воздушную негашеную известь в зависимости от содержания в ней оксидов кальция и магния подразделяют на кальциевую, магнезиальную и доломитовую:

-кальциевую (не более 5% МqО);

-магнезиальную (от 5 до 20% МqО);

-доломитовую (от 20 до 40% МqО).

Воздушную известь подразделяют на негашеную и гидратную (гашеную) известь, получаемую гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой извести.