ТехЛиб СПБ УВТ

В 1880 г. Немецкий ученый В. Михаэлис изобрел метод, который был использован для производства силикатного (известково-песчаного) кирпича. К началу двадцатого века в России было уже пять заводов, выпускающих силикатный кирпич.

До 50-х годов единственным видом силикатных автоклавных изделий были силикатный кирпич и небольшие камни из ячеистого силикатного бетона. Однако благодаря работам российских ученых впервые в мире было создано производство крупноразмерных силикатобетонных автоклавных изделий для сборного строительства. В настоящие время почти все элементы зданий и сооружений ( панели, плиты перекрытий, элементы лестниц и др.) могут быть изготовлены из армированного силикатного бетона, который по своим свойствам почти не уступает железобетонным, а благодаря применению местных сырьевых материалов и промышленных отходов обходится на 15…20% дешевле, чем аналогичные железобетонные элементы на портландцементе.

Сырье для силикатных материалов и изделий

Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, служит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке. Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например шлаки, золы и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким измельчение песка, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п.

Для современного производства силикатного кирпича используют сырьевую смесь, в состав которой входит 90…95% песка, 5…10% молотой негашеной извести и некоторое количество воды.

3. Общая технология получения силикатных материалов

Технология получения силикатных изделий обычно складывается из следующих этапов:
1. Получение сырьевой смеси.
2. Прессование изделий.
3. Обработка в автоклаве изделий.
4. Выдержка готовых изделий.

Производство силикатных строительных материалов базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который осуществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара давлением 0,8-1,3 МПа и температурой 175-200°С. Для гидротермального синтеза можно использовать при надлежащем обосновании иные параметры автоклавизации, применять обработку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью, водой.

В данном производстве большой объем работ составляет процесс получения извести для сырьевой смеси. В технологический процесс производства извести входят следующие операции: добыча известкового камня в карьерах, дробление и сортировка его по фракциям, обжиг в шахтных вращающихся и других печах, дробление или помол комовой извести (получение негашеной извести).
Получение сырьевой смеси осуществляется двумя способами: барабанным и силосным, которые отличаются друг от друга приготовлением известково-песчаной смеси.

Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. В автоклаве в атмосфере насыщенного пара при давлении 0,8-1,3 МПа и температуре 175-200°С кирпич твердеет 8…14ч.

Прочность автоклавных материалов формируется в результате взаимодействия двух процессов: структурообразования, обусловленного синтезом гидросиликатов кальция, и деструкции, обусловленной внутренними напряжениями.

Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200°С и давлении 0,8-1,3 МПа в течение 4-8 ч и снижение давления пара в течение 2-4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8-14 ч получают силикатные изделия.

Из автоклава выгружают почти готовые изделия, которые выдерживают 10…15дней для карбонизации непрореагировавшей извести с углекислым газом воздуха, в результате чего повышается водостойкость и прочность изделий. Температура обработки и общие энергозатраты при производстве силикатного кирпича существенно ниже, чем при производстве керамического, поэтому силикатный кирпич экономически эффективнее.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжелого силикатного бетона, панели перекрытий и стеновые, колонны, балки и пр. Легкие заполнители позволяют понизить массу стеновых панелей и других элементов. Силикатные изделия выпускают полнотелыми или облегченными со сквозными или полузамкнутыми пустотами. Особое значение имеют силикатные ячеистые бетоны, заполненные равномерно распределенными воздушными ячейками, или пузырьками. Они могут иметь конструктивное и теплоизоляционное назначение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качественные показатели.

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого (силикатного) камня, синтезируемого в процессе автоклавной обработки под действием пара при высокой температуре и повышенном давлении. Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, служит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке.

Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например шлаки, золы ТЭЦ и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким будет измельченный песок, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п. Непременным компонентом во всех смесях выступает вода.

Возможность образования в автоклаве камневидного изделия была установлена в конце XIX в., но массовое производство силикатных изделий, деталей и конструкций, особенно типа бетонов, было впервые организовано в нашей стране. Технология их изготовления механизирована и в значительной мере автоматизирована, что обеспечивает получение более дешевой продукции по сравнению с цементными материалами и изделиями. Эффективные исследования в этом направлении были выполнены П.И. Боженовым, А.В. Волженским, П.П. Будниковым, Ю.М. Буттом и др. Было показано, что при автоклавной обработке образуются наиболее устойчивые низкоосновные гидросиликаты с соотношением CaOiSiCh в пределах 0,8—1,2, хотя на промежуточных стадиях отвердевания возможны и более высокоосновные химические соединения.

П.И. Боженов, отмечая «технический синтез» цементирующей связки в автоклавном конгломерате, состоящей из смеси гидросиликатов, полагает, что химическое сырье должно удовлетворять определенным требованиям. Оно должно быть высокодисперсным с удельной поверхностью порошка в пределах 2000—4000 см2/г, по возможности аморфным, стеклообразным.

Химически активное сырье обеспечивает не только образование цементирующей связки в автоклавном конгломерате, но и ряд технологических свойств сырьевой смеси (формуемость изделий, ровность их поверхности, транспортабельность и др.). Но не только химические и физико-химические процессы влияют на формирование структуры и свойств силикатных материалов при автоклавной обработке. А.В. Волженский первым обратил внимание на изменение тепловлажностных условий при автоклавной обработке и их влияние на качество изделий. В связи с этим было принято выделить три этапа в автоклавной обработке: наполнение автоклава и изделий паром до заданного максимального давления; спуск пара; извлечение изделий из автоклава.

Изделия приобретают свойства, необходимые для строительных материалов, после автоклавной обработки, в процессе которой образуется новый известково-кремнеземистый цемент с характерными для него новообразованиями гидросиликатов кальция и магния, а также безводных силикатов.

Формирование микро- и макроструктуры силикатного изделия в автоклаве происходит на различных стадиях обработки. Механизм отвердевания известково-песчаного сырца до камневидного состояния выражается в том, что вначале образуется известково-кремнеземистое цементирующее вещество как продукт химического взаимодействия основных компонентов в смеси в условиях повышенных давлений и температур.

Согласно одной из теорий (П.П. Будникова, Ю.М. Бутта и др.), образование цементирующего вещества происходит через предварительное растворение извести в воде. Так как растворимость извести с повышением температуры понижается, то постепенно раствор становится насыщенным. Но с повышением температуры возрастает растворимость тонкодисперсного кремнезема. Так, например, с повышением температуры с 80 до 120°С растворимость кремнезема возрастает (по данным Кеннеди) почти в 3 раза. Поэтому при температуре 120—130°С известь и кремнезем, находясь в растворе, взаимодействуют с образованием гелеобразных гидросиликатов кальция. По мере дальнейшего повышения температуры новообразования укрупняются с возникновением зародышей и кристаллической фазы, а затем и кристаллических сростков.

При избытке извести возникают сравнительно крупнокристаллические двуосновные гидросиликаты кальция типа C2SH и C2SH2, а после полного связывания извести и в процессе перекристаллизации возникают более устойчивые микрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH и C5S6H5 (то берморит). Кристаллизация происходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве; сопровождается срастанием кристаллических новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П.И. Боженова, слагается из пяти этапов:

• впуск пара и установление температуры 100°С;
• дальнейшее повышение температуры среды и давления пара до назначенного максимума; изотермическая выдержка при постоянном давлении (чем выше давление, тем короче режим автоклавизации);
• медленное и постепенное нарастание скорости снижения давления пара до атмосферного, а температуры — до 100°С;
• окончательное остывание изделий в автоклаве или после выгрузки их из автоклава.

Оптимальный режим, т. е. наилучшие условия по величине давления пара, температуры и продолжительности всех стадий обработки, обусловливается видом сырья, хотя по экономическим соображениям всегда стремятся к быстрому подъему и медленному спуску давления.

Большую пользу в формировании структуры и свойств силикатных камня и материалов оказывают вводимые в смеси добавочные вещества (добавки), выполняющие функции ускорителей процессов образования гидросиликатов кальция или магния, кристаллизации новообразований, модификаторов свойств и структуры. В целом в составе силикатного камня преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешуйчатое микрокристаллическое строение CSH и тоберморит C5S6H В высокоизвестковых смесях в результате синтеза образуется гиллебрандит 2СаО • Si02 • Н20 (т. е. C2SH).

Согласно другой теории, образование микроструктуры вяжущего происходит не через растворение извести и кремнезема, а в твердой фазе под влиянием процесса самодиффузии молекул в условиях 1 водной среды и повышенной температуры. Имеется и третья теория (А.В. Саталкин, П.Г. Комохов и др.), допускающая образование микроструктуры вяжущего в результате реакций в жидкой и твердой фазах.

Выполненные исследования силикатного камня и силикатного конгломерата на примерах бетонов мелко- и крупнозернистых показали, что при оптимальных структурах их свойства полностью подчиняются общим закономерностям ИСК.

Оптимальная структура силикатного материала формируется при определенном количестве известковр-кремнеземи-стого цемента и минимальном соотношении его фазовых составляющих. В свежеизготовленном конгломерате дисперсионной средой (с) служит известковое тесто (Ит), а в качестве твердой дисперсной фазы (ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (Пм). Активность (прочность) известково-кремне-земистого вяжущего вещества оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависит от величины соотношения Ит: Пм (по массе).

Кроме кремнеземистого сырьевого материала, можно использовать в производстве автоклавных изделий распространенные малокварцевые виды сырья — полевошпатовые, глинистые, карбонатные пески, а также шлаки и другие побочные продукты промышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях авто-клавирования, становятся активными компонентами, не уступающими по растворимости кварцу. Их активность зависит от размеров радиусов анионов и катионов, входящих в их состав. В автоклаве формируется новое вяжущее (безобжиговое солешлаковое вяжущее), по свойствам превосходящее известково-кремнеземистое автоклавное твердение. Оно состоит из низкоосновных слабозакристаллизован-ных гидросиликатов кальция, а в присутствии ионов алюминия — из высокоосновных гидросиликатов кальция.

Классификация и виды силикатных материалов

Силикатные материалы относятся к группе искусственных каменных материалов на основе вяжущих веществ.

Общие сведения искусственных каменных материалов на основе вяжущих веществ

Признаки классификации, по которым различают вяжущие материалы:

1.В зависимости от вида вяжущего различают изделия на основе: цемента, извести, гипса и др.
2. В зависимости от способа производства определяют условия твердения таких материалов: естественное твердение, пропаривание, автоклавная обработка.

В качестве заполнителей для получения искусственных каменных изделий используют разнообразные материалы: песок, керамзит, и другие пористые заполнители, опилки и стружки и специфический армирующий заполнитель-асбест.

К основным искусственным каменным материалам и изделиям относятся:
1. Силикатный кирпич
2. Силикатобетонные изделия:
2.1. Тяжелые силикатобетонные изделия аналогичные обычному бетону
2.2. Легкие силикатобетонные изделия на основе пористых заполнителей или Ячеистые ( пенно- и газосиликаты)
3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
4. Стеновые камни из легкого и ячеистого бетона
5. Арболит
6. Цементно-стружечные плиты и асбестоцементные изделия

В отличие от керамики, материалы на минеральных вяжущих получаются за счет естественного твердения или термообработки при температурах до 200 °С. Таким образом, энергозатраты на производство изделий на минеральных вяжущих, даже с учетом энергозатрат на получение самого вяжущего, меньше, чем для получения керамики. Однако керамические материалы более долговечны и стойки к действию воды, агрессивных растворов и высоких температур.

Виды пустотелых изделий из силикатных материалов по ГОСТ 379-95 Кирпич и камни силикатные

Рисунок А1 — Камень (кирпич) 14-пустотный (диаметр отверстий 30 — 32 мм, пустотность 28 – 31 %)

Рисунок А2 — Камень (кирпич) 11-пустотный (диаметр отверстий 27 — 32 мм, пустотность 22 – 25 %)

Рисунок А3 — Кирпич 3-пустотный (диаметр отверстий 52 мм, пустотностъ 15 %)

 

ПЕРЕЧЕНЬ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
СИЛИКАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

 

Читать по теме:

•  Силикатные материалы и изделия Сырье. Производство силикатных изделий
• Силикатный кирпич. Сырье и производство
• Газобетон и изделия из газобетона
• Силикатные бетоны. Автоклавная обработка
• Ячеистый бетон. Легкие бетоны
• Гипсовые и гипсобетонные изделия
• Асбестоцемент и асбестоцементные материалы

К разделу

Строительные материалы