Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Твердение композиционных вяжущих с использованием техногенных продуктов. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
Н. П. КУДЕЯРОВА
Твердение композиционных вяжущих
с использованием техногенных продуктов
Утверждено ученым советом университета в качестве учебного
пособия для студентов направлений 18.03.02 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии биотехнологии, 18.03.01- Химическая технология
Белгород
2016
УДК 666.965.21 (075)
ББК 35.41я27
К 88
Рецензенты:
канд. техн. наук, зам. генерального директора по технологическим
процессам и качеству Н.Е. Разинькова (АО «Стройматериалы»)
д-р, техн. наук, проф. Л.Х. Загороднюк (БГТУ им.В.г. Шухова)
Кудеярова Н.П.
К 88 Твердение композиционных вяжущих с использованием техногенных продуктов: учебное пособие/ Н.П. Кудеярова. - Белгород: Изд-
во БГТУ, 2016. - 120 с.
В пособии описаны свойства сырьевых материалов и промыш-
ленных отходов для получения композиционных вяжущих автоклавного твердения, факторы повышения качества вяжущего и способы интенсификации автоклавной обработки. Приведены характеристики
композиционных вяжущих с использованием шлаков, золы ТЭС и отсевов дробления твердых горных пород.
Пособие предназначено для студентов и магистрантов очной и
заочной форм обучения направлений 18.03.02 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии биотехнологии, 18.03.01 - Химическая технология.
Издание публикуется в авторской редакции.
УДК 666.965.21 (075)
ББК 35.41я27
© Белгородский государственный
технологический университет
(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2016
2
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших задач промышленности строительных ма-
териалов 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 матери-
алов 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.
Строительные материалы автоклавного твердения, как силикат-
ный кирпич, газосиликатные и плотные блоки и т.д., занимают одно из
ведущих мест в структуре строительной отрасли. 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.
В формировании свойств автоклавных материалов особое значе-
ние имеют различные и весьма многообразные по своим свойствам
силикаты и гидросиликаты кальция. Поэтому получение автоклавных
вяжущих, позволяющих изготавливать высокопрочные изделия на основе гидросиликатов кальция из местных сырьевых материалов в течение короткого технологического процесса, является весьма целесообразным.
Автоклавная обработка дает возможность использовать в каче-
стве сырья для производства строительных материалов и изделий
наряду с местными видами сырьевых ресурсов, например песками,
многие виды промышленных отходов: шлаки черной и цветной метал-
3
лургии, золы ТЭС и др. Многие отходы промышленности, 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.
В государственной программе Российской Федерации "Энерго-
сбережение и повышение энергетической эффективности на период до
2020 года" [1] поставлены задачи по энергосбережению и повышению
энергетической эффективности в промышленности на основе модернизации оборудования, технологического развития и переходу к рациональному и экологически ответственному использованию энергетических ресурсов. В последние годы в стране 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 песка-заполнителя 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 известково-песчаное вяжущее.
В настоящее 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 автоклавным материалам по сравнению с другими аналогичными по свойствам материалами. Так, на современных
заводах себестоимость силикатного кирпича почти в 2 раза ниже глиняного кирпича, длительность производственного цикла намного короче.
В данном пособии рассмотрены составы и свойства сырьевых материалов для получения автоклавных вяжущих, приведены характеристики техногенных продуктов и качество вяжущего с их использованием, рассмотрены физико-химические процессы автоклавного твердения и способы его ускорения, пути повышения качества вяжущего и
снижения затрат на его получение.
4
1.0. Известково-песчаное вяжущее автоклавного твердения
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
определенное значение имеют все параметры сырьевых компонентов
и смесей на их основе: химический, минералогический и гранулометрический составы сырьевых материалов, влажность и состав смеси,
условия формования и автоклавирования. Все эти характеристики 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 [2].
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 коэф-
фициентом 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 [3].
Химически активное сырье является компонентом вяжущего и в
условиях автоклавной обработки полностью превращается в новый
продукт – смесь гидросиликатов кальция, магния и других новообразований. Для 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.
5
Известково-песчаное вяжущее является основой для получения
всех строительных материалов автоклавного твердения. Наиболее широкое распространение получил силикатный кирпич, производство
которого стало началом производства всех автоклавных изделий. На
долю силикатного кирпича приходится значительная часть всего объема стеновых материалов. Приведенные затраты на возведение стен из
силикатного кирпича составляют примерно 84 % по сравнению
с необходимыми затратами из керамического кирпича. Расход условного топлива и электроэнергии на производство силикатного кирпича
в 2 раза ниже, чем керамического. На получение одной тысячи штук.
силикатного кирпича расходуется в среднем 4,9 ГДж тепла, половина
которого составляет тепло на обжиг извести, а другая — на автоклавную обработку и другие технологические операции.
Экономическая эффективность производства силикатного кирпича расширила спектр материалов гидротермального твердения. В
настоящее время расширяется перечень сырьевых материалов, в число
которого помимо извести и кварцевого песка входят различные техногенные продукты как шлаки, золы, отсевы дробления и обогащения
твердых горных пород.
1.1 Характеристика сырьевых материалов
1.1.1. Пески. Характеристика песков
Основным компонентом изделий автоклавного твердения является песок. Расходы песка на производство различных изделий велики. К
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 автоклавного твердения 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 (шлаков) и тепловых электростанций, 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 [2], все осадоч-
6
ные 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).
Состав песков характеризуется преобладанием устойчивых против выветривания минералов и обломков пород. В большинстве случаев пески представляют собой совокупность отдельных минералов, отличающихся по химическому составу и свойствам. Химикоминералогические особенности песков зависят от состава материнских
пород, условий их разрушения, переноса и отложения продуктов разрушения и т.д.
По составу пески могут быть однородными, состоящими из одного минерала, это так называемые мономинеральные пески. И бывают
пески смешанные, разнородные, состоящими из многих разнообразных минералов, - полиминеральные пески. Главной составной частью
мономинеральных песков обычно является кварц. Реже встречаются
гранатовые, магнетитовые и другие пески.
В полиминеральных песках наряду с кварцем в значительных количествах содержатся полевые шпаты, амфиболы, пироксены, слюды,
магнитный железняк, обломки различных горных пород. Кроме этого
пески всегда содержат небольшое количество глинистых частиц. Нередко зерна песка по поверхности покрыты тонкой пленкой гидрогетита, что придает им ту или иную окраску. Наличие отличающихся по
свойствам от кварца минералов отражаются на химических свойствах
песков. Наиболее распространенные минералы песков приведены в
табл. 1.В производстве автоклавных материалов наиболее широко используются пески с высоким содержанием кварца как основного минерала необходимого для получения гидросиликатов кальция.
7
Таблица 1
Группа соединений
Минерал
Химическая формула
Оксиды кремния
Кварц
SiO2
Халцедон
SiO2 + SiO2 · nH2O
Опал
SiO2 ·nH2O
Алюмосиликаты:
полевые шпаты
Ортоклаз
K2O·Al2O3·SiO2
Альбит
Na2O·Al2O3 6 SiO2
Анортит
CaO·Al2O3·2 SiO2
Нефелин
Na2O·Al2O3·2 SiO2
слюды
Биотит
K2O·6(Mg ,Fe)O·Al2O3·6SiO2×
×2Н2О
Мусковит
K2O·3Al2O3 6SiO2·H2O
Карбонаты
Кальцит
CaCO3
Доломит
Ca·Mg(
CO3)2
Минералы глин
Каолинит
Al2O3·2SiO2·2H2O
Галлуазит
Al2O3·2SiO2·nH2O
Монтморилло-
нит
Mg, Ca) Al2O3·4SiO2·nH2O
Оксиды железа
Лимонит
2Fe2O3·3H2O
Гематит
Fe2O3
Магнетит
Fe3O4
Магниевые силика-
ты
Оливин
(Mg , Fe)2·SiO4
Роговая обманка
(Mg ,Ca, Fe) SiO3
Диопсид
(Mg ,Ca) Si2O6
Наиболее распространенные минералы песков
8
К мономинеральным пескам П.И.Фадеев рекомендует [4] отно-
Пески
Содержание основных
минералов, мас. %
Минерал
Содержание
Мономинеральные
Кварцевые
Полевошпатовые
Кварц
Полевые шпаты
90
90
Полиминеральные
Кварцево-полевошпатовые
Полевошпатово-кварцевые
Кварц
Полевые шпаты
Полевые шпаты
Кварц
50…90
50…10
50…90
50…10
сить 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.
Таблица 2
Классификация песков по минералогическому
составу (П.И.Фадеев)
Кварцевые пески представляют собой конечную стадию раз-
рушения горных пород, подвергнутых многократному воздействию
выветривания и денудации (перемещению). Основным минералом является кварц, содержание которого превышает 90%. В качестве примесей в кварцевых песках содержатся карбонаты, слюды, минералы глин,
полевые шпаты, халцедон, опал, мергель, магнитный железняк и др.
Чем больше в песке содержится кристаллического кремнезема (квар-
9
ца) и чем меньше других минералов, тем выше его качество. В табл. 3
Месторож-
дение
Содержание оксидов, мас. %
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
R2O
ППП
Кварцевые пески
Любеецкое
98,08
0,71
0,36 0,18 0,60
Ставропольское
94,2
1,32
0,68
0,9
1,48 1,36
Кореневское
90,96
3,85
1,15
1,10
0,18 1,37
НижнеОльшанское
94,3
1,05
0,38
1,1
1,31 1,86
Носовское
(белый песок)
95,37
2,68
1,17
0,34
0,02 0,42
Полевошпатовые пески
Заудинское
(Улан-Уде)
73
14,2
2,1
2,5
1,0
6,3
1,0
Читинское
75,5
13,0
1,65
1,45
0,44
6,5
1,0
Белогорское
(на Амуре)
84,5
8,5
0,3
0,5
0,25
6,0
0,31
Карбонатные пески
Красновод-
ское
33,03
3,89
1,23
34,81
1,48
24,93
Мыс Песча-
ное
8,8
1,31
0,59
44,45
3,75
41,47
приведен химический состав песков некоторых месторождений.
Таблица 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
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. В то же время минералы одного и того же химического состава могут вести себя по-разному, что обусловливается
различием их кристаллической структуры.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]