Производство ячеистых силикатных материалов включает следующие технологические переделы: под­готовку сырьевых материалов, приготовление ячеисто - бетонной смеси, формование, гидротермальную обра­ботку и отделку поверхностей изделий. Основные поло­жения принятой на предприятиях СССР технологии ячеистых силикатных материалов приводятся в Инст­рукции по изготовлению изделий из ячеистого бетона СН 277-80.

2.4.1. Подготовка сырьевых материалов

Этот технологический передел заключается в из­мельчении компонентов сырьевой смеси, взятых в оп­ределенных пропорциях, и их усреднении (гомоге­низации).

Измельчение — одна из основных технологических операций, в результате которой достигается не только повышение реакционной поверхности, но и механиче­ское активирование в результате увеличения свободной энергии. Энергия, затрачиваемая на измельчение, рас­ходуется на разрыв химических связей и создание но­вых поверхностей. Это сопровождается изменением структуры твердого тела -- аморфизацией кристалличе­ских веществ в результате необратимых пластических деформаций, что сопровождается значительным повы­шением химической активности. Кроме того, измель­чение исходных материалов применительно к произ­водству ячеистых силикатных изделий предусматрива­ет уменьшение диаметра частиц (повышение дисперс­ности) до размеров сопоставимых с толщиной межпо - ровых перегородок. При этом, чем ниже плотность ячеистых материалов и соответственно тоньше межпо - ровая перегородка, тем выше должна быть дисперс­ность компонентов сырьевой смеси.

Известно, что процесс измельчения может сопро­вождаться трибохимическими или, как их еще назы­вают, механохимическими реакциями, которые способ­ствуют активизации смесей.

Следовательно, при измельчении твердых тел надо стремиться к максимальному использованию механо - химических реакций, что достигается при совместном помоле компонентов с учетом их природы и химико- минералогического состава. В частности, при сухом со­вместном помоле компонентов, получившего название "сухой" схемы подготовки [6] достигается не только высокая гомогенность сырьевой смеси, но и протекание механохимических реакций, что исключает "старе­ние" вновь образованных химически активных повер­хностей.

64

При измельчении энергетическое состояние твердо­го тела изменяется (дЕ) в зависимости от изменения внутренней энергии (дЕв) и прироста энергии вновь образованных поверхностей (дЕд)

ДЕ = ДЕВ + дЕ5. (9) .

При этом возможны следующие варианты измене­ния энергии твердого тела:

1. Изменение энергии происходит в результате уве­личения удельной поверхности, т. е. уменьшения раз­меров частиц твердого тела при неизменной внутрен­ней энергии ДЕВ = 0, тогда

ДЕ = ДЕд = ЕдДБ, (10)

Где Eg -- величина свободной энергии единицы поверхности;

До -- прирост удельной поверхности вещества в результате из­мельчения.

2. Помимо увеличения удельной поверхности твер­дой фазы происходит нарушение, амофизация, поверх­ностных слоев частиц кристаллических веществ:

ДЕ = Д(Ед ■ S). (11)

3. В процессе измельчения происходит нарушение кристаллической структуры твердых тел с изменением энергии связи атомов в решетке при одновременном увеличении удельной поверхности

ДЕ = дЕв + A(Es ■ S). (12)

Приведенная зависимость описывает типичный случай механического активирования при тонком из­мельчении кристаллических твердых тел.

Прямое (экспериментальное) определение приведен­ных в зависимостях величин ДЕВ, aEs, Eg связано со значительными трудностями методического характера, особенно, когда это касается твердых тел аморфной структуры.

65

В этой связи для прогнозирования химической ак­тивности твердых тел, приобретаемой при измельче­нии в связи с изменением их энергетического состоя­ния, эффективным оказывается применение метода ка­лориметрии [13]. Калориметрические исследования по­зволяют в этом случае по разности тепловых эффектов реакции судить об изменении энергетического состоя­ния при измельчении твердых тел:

407—3
(Qj - Q0) = ДЕ,

Где Qi и Qo - соответственно тепловые эффекты специфических реакций кристаллического или аморфного твердого тела после и до измельчения.

Если проводится оценка изменения удельной хими­ческой активности, то зависимость (13) примет вид:

(Qi - Q0)/AS= AE/AS. (14)

Из приведенных зависимостей следует еще один важный вывод. Измельчение твердых тел кристалли­ческой и аморфной структуры до одинаковой дисперс­ности в случае кристаллических веществ приводит к большему увеличению химической активности по срав­нению с первоначальной, хотя химическая активность вещества аморфной структуры по абсолютной величине выше. При сверхтонком и длительном измельчении кристаллических веществ может наступить такой мо­мент, когда энергетическое состояние твердого тела кристаллической и аморфной структуры окажется оди­наковым, а следовательно, одинаковой будет и их хи­мическая активность

Es-AS =a(Es-S). (15)

В производственных условиях для контроля дис­персности компонентов и сырьевой смеси применяют показатель удельной поверхности (Эуд), который опре­деляют методом воздухопроницаемости на приборе ПСХ-2 (4) и выражают в м2/кг (см2/г).

В зависимости от плотности ячеистых материалов СН 227-80 рекомендует следующие значения удельной поверхности молотого кремнеземистого компонента

(песка) в м2/кг:

150-200 для материала плотностью р = 800 кг/м3 200-230 » 'ро = 700 »

230-270 >> » ■ * . /д = 600 »

270-300 » * » гр0 = 500 кг/м3

И ниже.

(13)

Однако применяемый показатель удельной поверх­ности не характеризует ни химическую активность кремнеземистого компонента, ни его межзерновую пус - тотность и является условно-технологическим показа­телем.

Как уже отмечалось, химическая активность крем­неземистого компонента лимитирует кинетику процес - сон формирования структуры силикатного камня, фа­зовый и морфологический состав синтезируемых це­ментирующих новообразований, а также их объем, не­обходимый для омоноличивания непрореагировавших частиц и заполнения их межзерновой пустотности. С учетом этого, помимо удельной поверхности, при опре­делении состава сырьевой смеси, целесообразно контро­лировать растворимость кремнеземистого компонента (А0) и его межзерновую пустотность (П). При этом в качестве интегральной характеристики кремнеземисто­го компонента может быть использован показатель удельной химической активности -- As, представляю­щий собой отношение растворимости (А0) к величине модуля поверхности (Мп):

As = А„/Мп = AoO-n)/Syfl, мг/м2. (16)

Модуль поверхности (Мп), учитывающий межзер­новую пустотность кремнеземистого компонента, опре­деляется по формуле:

Мп = Sya/(1-П) , м2/кг. (17)

Межзерновая пустотность кремнеземистого компо­нента (П) определяется в насыпном влажном состоя­нии в долях единицы. Расход воды на смачивание по­верхности кремнеземистого компонента находят по следующей эмпирической формуле:

В/П - 210-4 Syfl + 0,21. (18)

Для получения силикатного камня (межпорового материала) прочностью не ниже 35-40 МПа значение удельной химической активности кремнеземистого компонента при принятых параметрах автоклавной обработки (t°C и Тизотеом ) должно быть не ниже — А ч = = 0,9-1,2 мг/м2.

В частности, с учетом этих требований к кремнезе­мистому компоненту и условий получения конструк­ционно-теплоизоляционных ячеистых бетонов удовлет­ворительной трещиностойкости установлено, что эти условия достигаются в случае использования сырьевых композиций, содержащих кремнеземистый компонент пустотностью 25-30% и химической активностью (рас­творимостью при принятых параметрах автоклавной обработки) 0,2-0,25 мг/г. Этим требованиям удовлетво­ряет грубомолотый песок с Syjr = 120-150 м2/кг и авто­клавная обработка при t = 183°С (Р = 1,1 МПа) или применение песка композиционного состава, включаю­щего грубомолотую и тонкомолотую составляющие, взятых в определенном соотношении в зависимости от их химической активности и температуры автоклав­ной обработки.

В этом случае достигается формирование силикат­ного камня поровой структуры (п < 1,5) высокой сте­пени омоноличенности п0 = 1,2-1,3.

При производстве стеновых блоков, теплоизоляци­онных и декоративно-акустических изделий, трещино - стойкость которых практически не нормируется, наи­более целесообразно формирование силикатного камня базальтного вида цементации с показателем п0 > 1,25. В этом случае оправдано применение кремнеземистого компонента повышенной дисперсности и химической активности, способствующего повышению прочности силикатного камня. Этим требованиям отвечает кремнеземистый компонент дисперсностью Буд = = 200-300 м2/кг.

На отечественных заводах ячеистых силикатных материалов, как правило, применяется мокрый помол основной массы кремнеземистого компонента (песка) и сухой помол известково-песчаного вяжущего при соот­ношении известьгпесок, равном 1:0,2-1:1.

Содержание воды в шламе должно быть достаточ­ным для обеспечения его нормальной текучести, а плотность шлама песка составлять Д,= 1,6-1,68 кг/л.

Мокрый помол кремнеземистого компонента осу­ществляется в присутствии добавок ПАВ (поверхност­но-активных веществ), расход которых составляет 0,01-0,03% или добавки извести в количестве до 3%.

Как уже отмечалось, кроме мокрого помола песка подготовка сырьевых материалов может осуществлять­ся по "сухой" схеме. Считалось, что последний способ более энергоемкий и менее производителен. Однако ис­следования, проведенные в последние годы в НИПИси- ликатобетона, МИСИ им. В. В. Куйбышева, Воронеж­ском ИСИ, изменили сложившиеся представления о сравнительной экономичности рассмотренных способов подготовки сырьевых материалов.

Установлено [6], что применение "сухой" схемы подготовки компонентов позволяет повысить при про­чих равных условиях прочностные показатели яче­истых материалов на 15-20%, снизить суммарную энергоемкость технологического процесса до 1,5 раза, уменьшить износ мелющих тел и футеровки мельниц на 30-40%, в зависимости от дисперсности кремнезе­мистого компонента, а в случае применения смешан­ного вяжущего достигается дополнительная активация цемента.

Особенно эффективна "сухая" система при исполь­зовании грубомолотого песка с Буд <150 м2/кг [11].

Сообщается [14], что ячеистый бетон на основе сырьевой смеси, полученной путем совместного помола компонентов и оптимальной влажности песка позволя­ет в 1,5-1,7 раза повысить прочностные характеристи­ки и модуль упругости материала по сравнению с ха­рактеристиками ячеистого бетона, изготовленного из той же сырьевой смеси, но при раздельном помоле компонентов. В данном случае, как нам представляет­ся, увеличение прочности связано не только с высокой гомогенностью смеси (однородностью), но и протекани­ем при помоле с влажным песком механохимических реакций.

Преимущества "сухой" схемы убедительно подтвер­ждаются многолетним опытом работы цеха ячеистых бетонов Воронежского завода ЖБИ-1, а также пред­приятий, работающих по технологии фирмы "Калси- локс".

Вместе с этим успешное применение "сухой" схемы возможно лишь при условии стабильности характери­стик сырьевых материалов и высокой культуры труда.

Существенным достоинством "сухой" схемы являет­ся также возможность полной автоматизации техноло­гического передела подготовки компонентов.

2.4.2. Определение состава ячеистосиликатиой смеси

Как уже отмечалось, в основе технологии ячеистых силикатных материалов лежит синтез цементирующих новообразований, которые омоноличивают исходную композицию, а не применение специальных вяжущих. В этой связи состав ячеистосиликатиой смеси будет оп­ределяться как технологическими характеристиками кремнеземистого компонента — удельной поверхностью (S ), межзерновой пустотностью (П), химической ак­тивностью — растворимостью (А0) или его интеграль­ной характеристикой — удельной химической активно­стью (As), так и параметрами автоклавной обработки — температурой (t°C) и продолжительностью изометриче­ской выдержки при максимальной температуре (Гм).

Помимо перечисленных технологических парамет­ров состав смеси будет также определяться необходи­мыми строительно-эксплуатационными показателями изделий, которые в свою очередь регламентируются ус­ловиями эксплуатации. Это создает известные трудно­сти разработки единой методики подбора состава ячеис - то-силикатной смеси. В зтой связи при установлении ра­ционального состава ячеистосиликатной смеси, целесо­образно на первом этапе, для опытных замесов вос­пользоваться рекомендациями СН 277-80 (раздел 4) и СН 28147/80 "Нормы технологического проектирова­ния предприятий по производству изделий из ячеисто­го и плотного бетона автоклавного твердения". После чего с использованием методов планирования активно­го многофакторного эксперимента [15] получить коли­чественные зависимости между основными свойствами ячеистосиликатных материалов и технологическими параметрами являются: соотношение между компонен­тами исходной смеси, дисперсность кремнеземистого компонента, расход воды и режим автоклавной обра­ботки.

Метод активного планирования эксперимента по­зволяет в результате обработки экспериментальных данных получить математические модели в виде поли­номов первой или второй степени, а также их графиче­скую интерпретацию в виде поверхности отклика или номограмм.

Полученные в результате математической обработ­ки экспериментальных данных уравнения регрессии могут быть обработаны на ЭВМ и использованы в практической деятельности предприятия для оператив­ного регулирования состава ячеистосиликатной смеси. Не менее важно, что при этом создаются реальные предпосылки для разработки АСУ-ТП.

Следует лишь подчеркнуть, что на многих пред­приятиях очень часто низкое качество извести пыта­ются компенсировать увеличением расхода цемента. Более того, среди производственников бытует ничем не обоснованное мнение, что повышение расхода цемента или замена им извести способствует повышению строи­тельно-эксплуатационных показателей ячеистого бето­на. Однако исследования, выполненные под руковод­ством П. И. Боженова, А. В. Домбровского, А. П. Мерки - на, А. А. Федина, автора и других ученых показывают, что увеличение содержания цемента в сырьевой смеси выше 10-12% (от массы сухих составляющих) оказы­вает негативное влияние на прочность и трещиностой - кость ячеистых бетонов. Связано это с ухудшением ка­чества структуры синтезируемого силикатного камня— снижением степени закристаллизованности новообра­зований, повышением их средней основности (C/S) и содержанием в единице объема (Си). Это в соответствии с формулами (2)-(7) приводит к снижению прочности и трещиностойкости силикатного камня и соответствен­но ячеистого бетона.

Замена части извести цементом, как правило, вы­звано технологическими соображениями, связанными с обеспечением необходимой пластической прочности ячеистобетонного сырца и времени ее достижения. В этой связи, как отмечают П. И. Боженов и А. А. Федин, при изготовлении ячеистых бетонов на смешанном вя­жущем более эффективным является использование не портландского, а шлакопортландского цемента. Более того, как показывают исследования А. А. Федина [6] и опыт работы Воронежского завода ЖБИ № 2, где они внедрены, полная замена цемента гранулированным шлаком, взятым в определенном количестве, способст­вует повышению прочности и, что особенно важно, снижению усадочных деформаций, т. е. повышению. трещиностойкости силикатных ячеистых бетонов.