Твердение композиционных вяжущих с использованием техногенных продуктов. Учебное пособие

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

Пески применяются для изготовления силикатных камней, сили­катного кирпича, изделий из силикатного бетона и бетонов ячеистой

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 и 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.

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 в насыпном виде 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 мелких и очень мелких песков при­водит к увеличению расхода вяжущего.

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 дроблени­ем 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 этих 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 (М

ликатных 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 строительно-технические 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.) Решение проблемы применения вскрышных пород, отходов обогащения руд и металлургического производства поможет ликвидировать дефицит нерудных материалов во многих районах страны и повысить эффек­тивность производства автоклавных материалов.

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 α­тридимит, который при 1470 оС превращается в α-кристобалит. При температуре 1713 оС кремнезем плавится, образуется стекло. Высоко­температурная модификация β-кварца устойчива при температуре 573

Растворяется кремнезем в воде с большим трудом. Механизм это­го процесса заключается в следующем. В водной среде происходит гидролиз связей типа –Si–O–Si– , имеющихся в структуре SiО2. Возни­кают группы – SiОН, и кремнезем оводняется. Взаимодействие с водой идет первоначально с поверхности частиц, происходит поверхностная диссоциация:

Ортокремниевая кислота склонна к полимеризации. С повышени­ем температуры раствора этот процесс ускоряется. При темпера­турах выше 200о С роль полимеризации незначительна. Ортокремние­вая кислота является неустойчивым соединением и по истечении неко­торого времени самопроизвольно переходит в гелеобразную массу. Это связано с процессами коагуляции и поликонденсации с образова­нием поликремневых кислот. Устойчивость ортокремниевой кислоты зависит от концентрации водородных и гидроксильных групп. Наибо­лее медленно агрегация ортокремниевой кислоты протекает при рН раствора равном 2-3. При рН ниже 2 (особенно < 1) и выше 3 устойчи­вость Si(ОН)4 понижается, и в щелочной среде при рН выше 10 она практически отсутствует.

поверхностная энергия, величина которой выше минимальной. Уменьшение поверхностной энергии протекает, когда образующиеся при деформации кристаллического вещества ненасыщенные связи насыщаются противоположно заряженными ионами – гидратация по­верхности кремнезема (а) или ненасыщенные связи взаимно компен­сируются (б).