Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Безобжиговые материалы из глинистого грунта во многих районах все еще являются основными стеновыми материалами. Сырьем для изготовления безобжиговых стеновых блоков или камней (саман, грунтоблоки, кирпич-сырец) служат обычные глинистые (связные) грунты, из которых различными способами формуют стеновые блоки. Безобжиговые грунтовые стеновые блоки изготовляют из различных по качеству грунтов, без добавки или с добавкой к ним различных веществ: связующих материалов, стабилизаторов, утеплителей (в зависимости от назначения строящегося из них здания и его местонахождения).

ГЛАВА 1. БЕЗОБЖИГОВЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Безобжиговые материалы из глинистого грунта во многих районах все еще являются основными стеновыми материалами. Сырьем для изготовления безобжиговых стеновых блоков или камней (саман, грунтоблоки, кирпич-сырец) служат обычные глинистые (связные) грунты, из которых различными способами формуют стеновые блоки. Безобжиговые грунтовые стеновые блоки изготовляют из различных по качеству грунтов, без добавки или с добавкой к ним различных веществ: связующих материалов, стабилизаторов, утеплителей (в зависимости от назначения строящегося из них здания и его местонахождения).

Кирпич-сырец представляет собой полуфабрикат при производстве обожженного строительного кирпича. Его используют в качестве основного стенового материала для одноэтажных построек, с небольшой нагрузкой на стены. Изготовляют кирпич-сырец из средних по жирности глин. В жирные глины в качестве отощителя добавляют песок. Содержание песка в глине должно быть в такой пропорции, чтобы линейная усадка после сушки не превышала 6%. Содержание песка в глине нельзя допускать более 35%. Подготовка сырья, формовочной массы и формовка кирпича-сырца аналогичны операциям при производстве красного строительного кирпича.

Среднеазиатский кирпич-сырец формуют преимущественно из лёсса. Для этого на площадке, где должна производиться формовка сырца, вскрывают верхний растительный слой земли и перекапывают лёсс на глубину двух штыков. Перекопанный лёсс заливают водой и оставляют на 2--3 суток. После того как лёсс достаточно размокнет, его перелопачивают и переминают до получения однородной массы нужной пластичности. Лёсс легко поддается обработке, и поэтому при изготовлении из него кирпича-сырца можно обходиться без специальных глиномялок.

Формовка кирпича-сырца производится как вручную, так и машинным способом. При формовке сырца на кирпичеделательных агрегатах целесообразно в формуемую массу вводить стабилизаторы, повышающие водостойкость сырца. В качестве стабилизаторов обычно используют остатки растений и листьев, сгнивших без доступа воздуха, каменноугольные и газовые смолы и особенно торфяную крошку.

В районах, где отсутствует торф, стабилизатор можно приготовить из ботвы овощных растений, сорных трав и древесной листвы, подвергнув их гниению в специальных ямах. Для этого в глинистом грунте выкапывают яму, засыпают в нее траву или ботву и заливают жидким глинистым раствором. В таком состоянии массу выдерживают в течение 80--90 суток.

Отформованный кирпич-сырец сушат на открытых площадках или в закрытых сараях. Режим и технология сушки кирпича-сырца аналогичны тем, которые применяются при производстве красного строительного кирпича.

Кирпич-сырец должен быть правильной формы, не иметь трещин от сушки; брошенный на землю с высоты 1,5--1,8 м не должен ломаться, временное сопротивление его сжатию должно быть не менее 20 кг/см2, объемный вес 1800--1900 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,7. Кирпич-сырец представляет собой хрупкий материал, а поэтому его не следует перевозить на дальние расстояния.

Саман изготовляют из жирной пластичной глины с добавкой в нее соломенной сечки в количестве 10--20 кг на 1 м3 глины. Чтобы более точно определить потребное количество соломы для добавки в глину, изготовляют несколько пробных блоков. Для этого берут 1 м3 глины, делят его на пять равных частей и в каждую из них добавляют солому в различных количествах (кг): в одну часть -- 4, во вторую -- 3,5, в третью --3, в четвертую --2,5 и в пятую --2. Затем каждую часть глины хорошо перемешивают с соломенной сечкой и изготовляют саман, который после высушивания подвергают соответствующим испытаниям и по лучшему образцу устанавливают норму добавки соломы.

Практически саман изготовляют следующим образом. На площадке, отведенной для изготовления самана, срезают верхний растительный слой и размечают яму для замеса (обычно круглую, диаметром 5--6 м). Грунт в яме перекапывают на два штыка, затем в яму загружают резаную солому (длина соломенной резки 5--12 см) и заливают водой. По истечении 2--3 суток глину хорошо перемешивают.

Саман можно формовать и на кирпичеделательных агрегатах типа «Колхозный». Для этого на головку пресса устанавливают мундштук соответствующих размеров. Отформованный саман раскладывают на ровной площадке «на платок», а через 2--3 дня «ребруют». Еще через 2-- 3 дня его складывают в «козелки». Когда саман достаточно окрепнет, его укладывают в разреженные пирамиды по 120-- 150 штук в каждой и оставляют до полного высыхания.

Окончательно высушенный саман отправляют на стройку или укладывают в плотные клетки и укрывают досками, камышом или соломенными матами для предохранения от дождя. Саман считается окончательно высохшим, когда в изломе в середине его не будет темных пятен. Саман хорошего качества должен иметь ровные кромки, хорошо тесаться топором, иметь хорошую гвоздимость (не раскалываться, когда в него вбивают гвоздь толщиной 5--6 мм и длиной 150 мм), не разбиваться при падении на землю с высоты 1,5--1,8 м и не размокать в воде в течение 8 часов. Прочность самана хорошего качества должна быть около 25 кг/см2.

Грунтоблоки изготовляют из обычных кирпичных глин и любых грунтов, обладающих достаточной связностью, с содержанием в них 12--18% влаги, то есть в состоянии естественной или карьерной влажности грунтов. Пригодность грунта для изготовления грунтоблоков можно предварительно определить по двум признакам: во-первых, при копке пласт грунта не должен рассыпаться на заступе; во-вторых, сжатый в руке грунт должен образовывать ком, не рассыпающийся при падении на землю с высоты 1 м. Более точное определение пригодности грунта проводят лабораторным путем.

В тяжелые грунты (с содержанием глины свыше 20%) для уменьшения веса блоков и их теплопроводности вносят легкие малотеплопроводные добавки (шлак, опилки, мякину, лузгу и т. п.). Для повышения водостойкости в смесь идущую на изготовление блоков, вводят стабилизаторы в виде глино-смоляных или известково-смоляных эмульсий.

Известково-смоляную эмульсию приготовляют следующим образом: в растворомешалку или бочку наливают 4--5 частей воды, затем в воду добавляют столько же известкового теста, все это хорошо перемешивают и в смесь добавляют одну часть смолы. При вливании смолы продолжают перемешивать всю смесь до получения однородной эмульсии.

Заготовленный для грунтоблоков грунт, чистый от мусора, засыпают в растворомешалку, заливают эмульсией и хорошо все перемешивают. Затем добавляют наполнитель и всю массу перемешивают до однородного состава. При подготовке грунтовой массы ручным способом грунт засыпают на выровненную поверхность двумя грядами высотой 15--20 см и поливают эмульсией-стабилизатором, затем в гряды добавляют наполнитель и всю массу хорошо перелопачивают (при введении органических добавок их следует увлажнять до смешивания с грунтом). Перемешанная масса должна иметь влажность 14--20%.

Формуют грунтоблоки вручную -- трамбовками, на ручных станках, а также на механизированных станках или кирпичеделательных агрегатах.

Безобжиговые стеновые материалы с использованием местного сырья

Саман-это искусственный стеновой материал, полученный путем формования из смеси глины, суглинков с органическими наполнителями (солома, торф, костра) и высушенные до влажности 4-6%. Кирпич-сырец -искусственный материал из глины, суглинков с отощителями и высушенные до влажности 4-6%.

Наиболее пригодными являются глины, в которых преобладают зерна величиной от 0,01 до 0,02 мм и содержащих Al₂O₃ - 9-12%. Для получения доброкачественной продукции необходимо содержание Al ₂O₃ не менее 9% и не более 14%. Если содержание окиси алюминия меньше 9% (тощий суглинок), то кирпич и саман не будут обладать необходимой прочностью, если окиси алюминия содержится 14-25%, то глины жирные и требуют отощителей, так как имеют высокую степень пластичности. Наиболее подходящими являются среднепластичные глины. Малопластиные глины дают небольшую прочность и требуют повышения пластичности, которую можно повысить следующими способами: вылеживанием замоченной глины в течение длительного времени, вымораживанием, добавлением высокопластичной глины и использованием пластификаторов. Технология получения: заготовка глины и наполнителей -- замачивание глины -- шихтовка с наполнителем -- проминка глины-- формование сырца -- сушка (естественная). При строительстве во влажных местах саман после сушки рекомендуется окуривать-сушка дымом.

Грунтоблочные стены появились в 30-х годах 20 века. Для производства грунтоблоков пригодны глины, суглинки, лессы, супеси, чернозем при естественной влажности. Для оценки пригодности определяется связность, т. е. берется проба из свежевырытого грунта с глубины 25-30 см. Например, суглинки (г. Ступино) в которые вводилось 25% по объему опилок имели в 7-ми дневном возрасте прочность 35-45 кгс/см², из грунтов Мытищинского карьера при введении 80% опилок, блоки имели прочность 40-70 кгс/см². Прочность грунтоблоков зависит от влажности грунта, от наличия глинистых и вылеватых частиц, степени уплотнения, количества воды и вида заполнителя. Карьерная влажность обычно составляет 12-18%, если влажность меньше 12%, то грунт плохо формуется, если больше 18%, то грунт прилипает к инструменту. Грунтоблоки выпускают размером 40х19,5х14см. Кладка осуществляется на густом глиняном растворе. Из грунтоблоков со средней плотностью 1300-1600 кг/м³ изготавливают стены толщиной 45 см, а с плотностью 1600-2000кг/м³ толщиной 55см. Стены из грун-тоблоков оштукатуриваются теплыми глиняными растворами с содержанием утепляющих органических заполнителей.

Изготавливают также грунтоблоки с утеплителями. К ним относят саманные блоки, получаемые из грунтовой массы с добавлением к ней резаной соломы, древесных опилок, торфяной крошки, которые являются утепляющими добавками, снижающими плотность и делающими их более стойкими. Из грунтов Мытищинского карьера Московской области, содержащих 16-18% глинистых частиц при введении древесных опилок более 50% получали грунтоблоки с прочностью на сжатие 70кгс/см², влажность органических заполнителей должна быть 30%, а грунтовочной смеси 1520%.

Для предохранения глиносырцовых и саманных блоков от потери прочности при увлажнении в состав шихты вводятся стабилизаторы (чаще всего органические вяжущие материалы или известь). Стабилизаторы препятствуют проникновению воды в поры грунта, из которого изготовлен блок и предотвращают возможность набухания блока. Одной извести для стабилизации грунтоблоков достаточно ввести около 5% от общего веса грунтовочной смеси.

Известково-глиняные блоки более прочны, водостойки и морозостойки, чем грунтоблоки со стабилизаторами. Обычный состав смеси по объему: 1 часть извести, 1 часть глины средней пластичности и 4 части минерального заполнителя. В составы рекомендуется также вводить органические вяжущие (битумы, дегти или смолы).

Грунтоцементные блоки это блоки из смеси естественных глинистых грунтов с небольшим количеством цемента. Такие блоки прочны, водостойки и морозостойки. Лучшими для изготовления грунтоцементных блоков являются смеси, содержащие по массе 15-30% глинистых частиц; цемента добавляют 7-12% от массы сухого грунта.

Грунтоцементные блоки имеют марки 35, 50 и выше. Со временем их прочность возрастает и через 2 года увеличивается в 2 -3 раза. Для уменьшения массы блоков и снижения расхода цемента в грунтовочные смеси можно добавлять утеплители : минеральные до 15%, органические до 5%. Грунтоблоки можно использовать при строительстве зданий до трех этажей.

Для производства безобжиговых стеновых материалов могут использоваться следующие вяжущие материалы: портландцемент, известково-кремнеземистые вяжущие, магнезиальные вяжущие, гипсовые и фосфогипсовые вяжущие, шлакопортландцемент в качестве заполнителей используются малопластичные глины, песок, доломит, известняк, шлаки, золы, пенополистерол, опилки, вспученный перлит и т.д.).

Наиболее доступный и перспективный материал - безобжиговый кирпич находит все более широкое применение в практике строительства.

ГЛАВА 2. ИННОВАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕЗОБЖИГОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Использование: при изготовлении безобжиговых строительных изделий на основе силикат-глыбы, например стеновых блоков и кирпича. Сущность изобретения: готовят смесь, содержащую силикат-глыбу 1 - 3 мас.% и песок 97 - 99 мас.%, при этом сначала силикат-глыбу и 30 - 50 мас.% песка подвергают совместному измельчению, затем смешивают с остальной частью песка, затворяют водой, из полученной смеси с водотвердым отношением 0,1 - 0,12 формуют изделия под давлением 10 - 20 МПа, которые сначала пропаривают при атмосферном давлении при 80 - 90°С, влажности 90 - 100% в течение 1 - 1,5 ч, затем сушат при 110 - 120°С в течение 2 - 3 ч. При необходимости придания изделиям декоративного вида их поверхность подвергают глазурованию путем воздействия низкотемпературной плазмы.

Способ предусматривает помол силикат-глыбы с огнеупорным заполнителем, смешение их при 80-90^oC, затворение массы водой той же температуры, формование изделий при 40 МПа, а затем сушку при 250-300^oC в течение 1-2 ч. Имея хорошие показатели прочности и термостойкости изделий, получаемых этим способом, а также высокую производительность (цикл получения готовой продукции 3 ч), способ энергоемок и сложен в реализации, так как предусматривает использование высоких давлений при формовании и высоких температур при сушке. Применяемое при этом оборудование, в частности мощный пресс, дефицитно. Кроме того, в случае остановки технологического процесса, обусловленного возможными неполадками оборудования, может быть снижение температуры формовочной массы ниже 80^oC, что приведет к преждевременному твердению формовочной массы и сделает ее непригодной для формования изделий. Для поддержания заданной температуры на период устранения неполадок оборудования необходимы дополнительные энергозатраты.

Способ [4] наиболее близок по технической сущности к предлагаемому. Этот способ заключается в совместном измельчении силикат-глыбы с частью наполнителя (известняка-ракушечника) в соотношении 3-4:1 до удельной поверхности 3600-5000 см²/г, смешении этой массы с остальной частью наполнителя, затворении смеси водой при водотвердом отношении 0,12-0,15, формовании изделий, сушке их при 80-90^oC, последующем насыщении водой и повторной сушке при 100-110^oC. Он длителен, малопроизводителен, что связано с тем, что формование изделий производят с помощью вибрации, после чего их вынуждены оставлять на сушку и только после того, как произойдет схватывание, их расформовывают и подвергают сушке по режиму: подъем температуры до 80-90^oC 3 ч, охлаждение. На следующие сутки после сушки сухие образцы погружают в воду до полного насыщения на 3-4 ч, после чего повторно сушат 3 ч. Весь процесс получения изделий составляет »72 ч.

Целью изобретения является разработка более производительного и менее энергоемкого способа изготовления строительных изделий на основе силикат-глыбы за счет снижения времени от момента формования изделий до окончательной сушки их, а также расширение сырьевой базы за счет возможности использования в качестве заполнителя природного песка с содержанием двуокиси кремния в нем і70%.

Цель достигается тем, что при переработке подвергается смесь состава, мас.%: cиликат-глыба 1-3, песок 97-99. При этом силикат-глыбу и 30-50 мас.% песка подвергают совместному измельчению до размера частиц S_уд. = 4500-5500 cм²/г, полученную массу смешивают с остальной частью заполнителя, затворяют водой при водотвердом соотношении 0,1-0,12, формуют изделия под давлением 10-20 Мпа, затем осуществляют пропарку их при атмосферном давлении при 80-90^oC и влажности 90-100% в течение 1-1,5 ч, после чего изделия сушат при 110-120^oC в течение 2-3 ч. При необходимости придания изделиям декоративного вида их поверхность подвергают глазурованию путем воздействия низкотемпературной плазмы.

Получение безобжиговых строительных материалов на основе кремнезема (песка) со связующим - твердым силикатом натрия (силикат-глыбой - полуфабрикатом жидкого стекла) заключается в том, что под воздействием температуры и влажности силикат-глыба переходит в растворимое натриевое стекло, вступающее в химическую реакцию с песком, точнее с кремнеземом песка, с образованием простых и сложных коллоидных соединений, в частности, геля кремниевой кислоты, который под влиянием пептизирующих факторов цементирует зерна песка, образуя прочную структуру материала.

Одним из факторов, влияющих на скорость растворимости силикат-глыбы и полноту химических превращений, является степень подготовки вяжущего. Проведение совместного помола силикат-глыбы с частью заполнителя позволяет получить гомогенную высокодисперсную композицию, играющую роль вяжущего вещества. В процессе такого помола образуются конгломераты, включающие зерна обоих компонентов, играющие роль активных центров цементации. Высокая удельная поверхность частиц вяжущей смеси обеспечивает однородность состава. Оптимальная удельная поверхность вяжущей смеси составляет 4500-5500 см²/г. Кроме того, измельчение частиц песка приводит к механической активации кремнезема, в результате чего чистый измельченный песок до S_уд = 4500-5500 см²/г уже сам проявляет вяжущие свойства. График зависимости тонкости помола вяжущей смеси от прочности образцов приведен на фиг.1.

Формирование структуры материала определяется образованием клеящей пленки адгезива (растворимого жидкого стекла). Чем тоньше клеевая прослойка, тем прочнее адгезионное соединение. Необходимость создания минимальной (далее по тексту критической) толщины пленки (до 10 мкм) связано с оптимизацией водотвердого отношения смеси. Воды для затворения смеси должно быть достаточно для получения тонкой клеящей пленки концентрированного растворимого стекла.

Однако ее не должно быть больше оптимального количества, так как ее излишек приводит к возникновению на границе раздела двух фаз (жидкой и твердой) расклинивающего давления, ослабляющего адгезию, что приводит к резкому снижению прочности изделий.

График зависимости прочности образцов от водотвердого отношения приведен на фиг.2.

Сухое смешение вяжущей смеси с заполнителем обеспечивает равномерное распределение наиболее активной ее составляющей (силикат-глыбы) по всему объему материала. Затворение смеси оптимальным количеством воды (водотвердое отношение 0,1-0,12), дополнительное перемешивание формовочной массы с последующим прессованием (усилие прессования Р = 10-20 МПа) создают предпосылки к образованию структурированной критической толщины пленки. Повышать усилие прессования больше 20 МПа нецелесообразно, так как большие давления приводят к возникновению в клеевых пленках дополнительных внутренних напряжений, ослабляющих прочность материала. Кроме того, более высокие давления приводят к растрескиванию частиц заполнителя (песка) и образованию новых поверхностей, не смоченных вяжущим. Усилие прессования меньше 10 МПа не дает получения эксплуатационной прочности образцов.

График зависимости прочности высушенных образцов от давления прессования приведен на фиг.3.

В предлагаемом способе сушки готовых изделий предшествует гидротермальная обработка сформованных изделий, т.е. процесс отверждения их делится на 2 стадии: стадия растворения силикат-глыбы и образование клеящей пленки (гидротермальная обработка-пропарка); стадия упрочнения клеевых контактов (сушка изделий).

Очень важно на первой стадии отверждения создать условия, препятствующие обезвоживанию системы, т.е. обеспечить постоянство водотвердого отношения В/Т = 0,1-0,12 в течение времени, необходимого и достаточного для завершения стадии растворения силикат-глыбы и образованию критической толщины пленки, обеспечивающей структуру материала без дефектов и трещин. Этот эффект достигается путем помещения сформованных изделий во влагонасыщенную атмосферу при 80-90^oC на 1-1,5 ч. Максимальная реакционная способность двуокиси кремния достигается путем поляризации молекулами воды, что реализуется в динамическом процессе гидролиза силиката натрия. После завершения процесса гидратации реакционная способность становится минимальной. Пропарка менее 1 ч не обеспечивает максимального растворения силикат-глыбы и образования прочного образца. Увеличение времени пропарки приводит к лишним энергетическим затратам.

График зависимости продолжительности пропарки от прочности изделий приведен на фиг.4.

Стадия упрочнения клеевых контактов связана с обезвоживанием материала. Процесс твердения смесей объясняется тем, что выделившийся в результате реакции гелеобразный кремнезем откладывается на поверхности зерен заполнителя и, теряя влагу, уплотняется, цементируя зерна наполнителя. В естественных условиях длительность данного процесса составляет 15-20 сут. В предложенном способе эта стадия проводится при 110-120^oC в течение 2-3 ч. Снижение температуры сушки менее 110^oC приведет к длительности процесса, а повышение температуры выше 120^oC - к интенсификации процесса обезвоживания и образованию трещин в материале из-за быстрого испарения влаги.

График зависимости продолжительности сушки от прочности изделий при 120^oC приведен на фиг.5.

Сравнение предложенного способа с прототипом показывает, что он имеет с ним ряд одинаковых приемов и режимов, но отличается от иных режимов формования и наличием операции пропарки в определенном режиме, т.е. предложение обладает новизной.

Сравнение способа с другим аналогом [3] позволило установить, что общим с данным способом является проведение формования под давлением. Но в предложенном способе эта операция осуществляется при более низком давлении. Все же остальные операции совершенно различны по своим режимам.

Таким образом, способ в предложенной совокупности операций и режимов в технике не известен, такое его исполнение прямо не вытекает из существующего уровня техники, а его реализация позволяет повысить производительность способа, снизив время изготовления изделий (продолжительность процесса отверждения в 10-12 раз проходит быстрее, чем в прототипе), получать более дешевые изделия, так как он позволяет снизить расход силикат-глыбы до 1,0-3,0% (в прототипе 4%) и расширить сырьевую базу. Способ позволяет использовать легкодоступный природный песок, в сравнении с другими аналогами снизить энергоемкость, следовательно, данное техническое решение обладает изобретательским уровнем.

Способ не вызовет затруднений при промышленной реализации. Применяемый наполнитель-песок широко распространен в природе. Силикат-глыбы расходуется меньше, чем в существующих способах. Способ прост и в аппаратурном оформлении. Для измельчения материалов, смешивания их применяются известные в технике устройства. Процесс отверждения изделий, состоящий из стадий пропарки и сушки, можно осуществлять в одной термокамере последовательно, сменив режим (убрать пар, поднять температуру до 110-120^oC и дать время выдержки). Необходимость изготовления строительных материалов, особенно из доступного сырья, всегда актуальна.

Материалу, полученному предлагаемым способом, при необходимости можно придать декоративные свойства, оплавив поверхность, воздействуя на нее низкотемпературной плазмой (Т = 3000-10000^oC). Благодаря однородности полученного материала по составу (SiO₂), отсутствию в составе термически нестойких веществ после воздействия плазмой получается глазурованная, стеклообразная поверхность, отличающаяся высокими декоративными свойствами и пониженной водопроницаемостью.

В технике известны способы получения декоративных покрытий в виде глазури. Получают его путем нанесения декоративного слоя керамической глазури толщиной 0,2-0,3 мм (ангоба). Сырьевыми материалами для ангобов служат беложгущиеся глины, каолин, кварцевый песок, мел, стеклобой и минеральные красители. Ангобы наносят на отформованные изделия в виде керамической суспензии-шликера в пульверизационной камере, сушат, а затем подвергают обжигу либо воздействию низкотемпературной плазмы (Справочник И.Х. Наназашвили. - Строительные материалы, изделия и конструкции. М.: Высшая школа, 1990, с. 173). При этом для достижения качественного покрытия необходимо, чтобы коэффициент термического расширения ангоба k_т.р был близок к k_т.р основного материала. Кроме того, беложгущие глины, кварцевый песок весьма дефицитны и производство лицевого кирпича из таких материалов для большинства районов является практически недоступным и экономически невыгодным, так как при подготовке ангоба необходимы дополнительные затраты на его измельчение, нанесение на поверхность материала и сушку. Получить декоративный глазурированный слой на поверхности силикатного кирпича, бетонных панелей без нанесения шликера не удается, так как при обработке плазмой карбонатсодержащих материалов происходит разложение углекислого кальция с выделением углекислого газа, который приводит к вспучиванию расплавленного слоя и в дальнейшем отслоению глазури при эксплуатации изделий.

Только полученный данным способом строительный материал может быть подвергнут оплавлению путем кратковременного воздействия низкотемпературной плазмы с целью придания ему высоких декоративных свойств и пониженной водопроницаемости без дополнительных средств, применяемых в технике для этих целей.

Технология предложенного способа заключается в следующем: подготовка сырьевых материалов - силикат-глыба предварительно измельчается в молотковой дробилке до фракции не более 10 мм; приготовление вяжущего - отдозированные порции силикат-глыбы и 30-50 мас.% песка подвергают совместному помолу в шаровой мельнице до удельной поверхности 4500-5500 см²/г; смешение формовочной массы - вяжущее и остальная часть заполнителя (песка 50-70 мас.%) загружаются в смеситель в такой последовательности: песок, затем вяжущее, осуществляют перемешивание компонентов в течение 2-3 мин, после чего при непрерывном перемешивании подают воду при водотвердом отношении 0,1-0,12 и продолжают перемешивание еще 3-5 мин; формование изделий - изделия прессуют под давлением 10-20 МПа, после чего распрессовывают на поддоны, которые укладывают в этажерки; отверждение изделий - производят пропарку изделий в камере, куда подается острый пар с температурой 80-90^oC при атмосферном давлении в течение 1-1,5 ч, после чего пар отключают и камеру переводят в сухой режим: поднимают температуру до 110-120^oC и выдерживают в течение 2-3 ч; глазурирование изделий - высушенные изделия пропускают через камеру, в которую подают плазмообразующий газ при температуре 3000-10000^oC.

Полученный предложенным способом строительный материал соответствует промышленно изготавливаемому материалу марок 150-200.

По описанной технологии приведены примеры выполнения, изложенные в табл. 1 и 2, где в табл.1 показано влияние содержания вяжущего вещества на основные характеристики материала, в сравнении с прототипом, в табл.2 - изменение прочности образцов в зависимости от соотношения крупной и мелкой фракций заполнителя (песка).

Полученные данные позволяют судить о том, что содержание силикат-глыбы от 1 до 3 мас.% достаточно для получения промышленных изделий марки 150-200.

Наиболее прочные образцы получены на соотношении мелкая фракция: крупная фракция 70-80: 30-20. При этом видно, что оптимальное соотношение мелкая фракция: крупная фракция, которое обеспечивает получение изделий марки 150-200, равно 30-50:70-50. Введение большего количества мелкой фракции заполнителя энергетически невыгодно.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БЕЗОБЖИГОВОГО КИРПИЧА ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ

безобжиговый кирпич сырье глинистый

В качестве стеновых материалов при строительстве зданий и сооружений в Южном регионе большей частью используется керамический кирпич, что значительно удорожает стоимость зданий и сооружений, а для неответственных сооружений традиционно используются строительные блоки, изготовляемые на основе щебня, песка и цемента. Эти блоки отличаются низкой прочностью (марка по прочности 50--75), неудовлетворительным внешним видом (здания требуют дорогостоящих штукатурных работ, которые в климатических условиях Юга России требуют ежегодных ремонтных работ) и повышенным расходом цемента (до 30%). Приведенные факты указывают, что необходимо искать нетрадиционные сырьевые материалы. В то же время на Юге России имеют широкое распространение карбонатные породы (известняки, доломиты, известняки пелитовые, мел, травертины и др.) различного вида и происхождения. Кроме того, наши исследования показывают, что на Юге России имеется неограниченная минерально-сырьевая база отходов дробильно-сортировочных заводов, горно-обогатительных комбинатов, отвалов шламов ГРЭС и ТЭЦ. В пределах Южного региона балансом запасов месторождений строительных камней учтено 156 месторождений с суммарными запасами категорий A+B+C1 1418466 тыс. м3, категории С2 255011 тыс. м3 (ГБЗ ПИ РФ, вып. 66, М., 2001), 15 месторождений облицовочных камней для производства блоков и щебня с балансовыми запасами категорий А+В+С1 20016 тыс. м3 и категории С2 3821 тыс. м3, в том числе 1 -- мрамора (запасы категорий A+B+C1 1925 тыс. м3), известняка (запасы категорий A+B+C1 4384 тыс. м3), 3 -- мраморизованного известняка (запасы категорий А+В+С1 5266 тыс. м3), 2 -туфа (запасы категорий A+B+C1 6837 тыс. м3, категории Со 1650 тыс. м3), 1 -- гранита (запасы категорий А+В+С1 1604 тыс. м3, категории С2 869 тыс. м3) (ГБЗ ПИ РФ, вып. 78, М., 2001), 3 месторождения карбонатного сырья для химической промышленности (запасы категорий А+В+С1 328668 тыс. т), 1 месторождение доломитов для металлургии (запасы категорий А+В+С1 228956 тыс. т) (ГБЗ ПИ РФ, вып. 72, М., 2001), 29 месторождений пильных камней (запасы категорий А+В+С1 126046 тыс. м3), в том числе 25 -- известняка (запасы категорий А+В+С1 99181 тыс. м3), 3 - туфа (запасы категорий A+B+C1 26865 тыс. м3), 1 - мергеля с забалансовыми запасами по категории С1 - 18 тыс. м3 (ГБЗ ПИ РФ вып. 77, М., 2001), 1 месторождение флюсовых известняков (запасы категорий А+В+С1 178658 тыс. т), 17 месторождений мела (запасы категорий А+В+С1 105735 тыс. т) (ГБЗ ПИ РФ вып. 74, М., 2001). Среди карбонатных образований особую группу представляют осадки, отложившиеся из углекислых и (или) сероводородно-углекислых вод источников различной минерализации и температуры в результате выпадения солей угольной кислоты -- диоксида углерода на термодинамическом и других барьерах (травертины). Наиболее крупными являются поля травертинов в междуречье рек Малка-Гунделен (Республика Кабардино-Балкария) и на горе Машук (Кавказские Минеральные Воды) 111. Ориентировочные суммарные запасы травертинов составляют здесь 5150 тыс. м3. Карбонатные разности травертинов обычно на 95--99% сложены практически чистым СаСО3. К данной формации могут быть отнесены многочисленные и постоянно пополняющиеся техногенные карбонатные отходы химводоочистки, которые накапливаются в пределах ГРЭС, ТЭЦ и местных котельных, использующих воды с повышенной минерализацией. Эти отходы занимают значительные пространства и при их разносе ветром ухудшают экологическое состояние территорий. По своему качеству данный карбонатный техногенный материал удовлетворяет многим жестким требованиям при его использовании в различных отраслях, но его повсеместное использование сдерживается тем, что получаемый материал находится в тонкодисперсном состоянии и обладает высокой влажностью. Нами разработана технология обезвоживания и грануляции техногенных травертинов, что позволяет использовать их в качестве готового сырья для производства гиперпрессованных изделий. При добыче и переработке карбонатного сырья в отходы (мелкая фракция при дроблении и обрезки камнепиления) уходит от 10 до 50% добываемого сырья, что значительно снижает технико-экономические показатели перерабатывающих предприятий. Кроме того, предприятия сталкиваются и с экологическими проблемами, так как при складировании этих отходов занимаются значительные площади земель, увеличивается пылевая нагрузка на окружающую среду, происходит размыв отвалов и т. д. [2]. Одним из вариантов решения проблемы утилизации отходов добычи карбонатных пород в регионе и техногенных отходов нами предлагается всестороннее их использование в качестве сырья для получения высокопрочного безобжигового лицевого кирпича методом гиперпрессования, при котором каменный материал получается без обжига и автоклавной обработки. Материалы, получаемые по этой технологии, приобретают необходимую прочность и водостойкость за счет прессования при большом удельном давлении (гиперпрессование) [3,4]. Технология гиперпрессования состоит из двух основных операций: приготовления формовочной смеси (отсевки карбонатных пород, техногенные травертины, цементная пыль, цемент) и прессования изделий. Изделия на карбонатных заполнителях, изготовленные при давлении прессования 20-60 МПа, имеют прочность при сжатии сразу после прессования 8-- 11 МПа, после выдержки в течение 24 ч в естественных условиях -11,2-16,3 МПа, ачерез 28 сут 15,8-42,3 МПа. Плотность в сухом состоянии 1800--2200 кг/м3, водопоглощение -- 0,5-8%. Изделия выдерживают более 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания и при насыщении водой не только не уменьшают прочность, но со временем даже увеличивают ее. Отличительной особенностью производимого лицевого кирпича является набор прочности при эксплуатации и низкая теплопроводность, соответствующая керамзитобетону Пл 1200 по ГОСТ 11024-84.

Результаты выполненных нами исследований показали, что минералогический состав заполнителя существенно влияет на свойства получаемых материалов, в первую очередь на прочность. Установлено, что прочность изделий при сжатии и их морозоустойчивость на карбонатном заполнителе значительно выше, чем на кварцевом и керамзитовом песках. Гиперпрессованные изделия на карбонатных заполнителях имеют привлекательный внешний вид, светлую равномерную окраску, могут быть окрашены природными красителями различной цветовой насыщенности. Этот кирпич помимо высокой прочности обладает улучшенным качеством поверхности (без трещин, просечек, следов пережога и др.), постоянством геометрических форм и размеров. Это позволяет строить здания с минимальным расходом строительного раствора, высоким качеством наружных поверхностей, не требующих штукатурных работ. Для организации этого производства необходимо небольшое помещение, так как основное технологическое оборудование занимает небольшую площадь. Для технологической цепочки необходим принудительный бетоносмеситель, гидравлический пресс для изготовления кирпича и автопогрузчик или тельфер. Все технологическое оборудование и пресс-оснастка серийно выпускается на Юге России на заводах «Донкузлитмаш», КПИ (г. Азов), ООО «Фирма Точмаш» (г. Армавир) или поставляется из Испании 000 «Амстро» или markerIBO-SERVICE RUSSIA, S.A. (Ростов-на-Дону), заводе СИТО (Ростов-на-Дону). В настоящее время уже налажен выпуск гиперпрессованного кирпича и тротуарной брусчатки в Ростове-на-Дону (Зареченский ЖБИ, Спецстрой), Новороссийске (ООО Р-Н-Д), Ставрополе (000 «Брик Филд»), Геленджике и других городах. Выпускаемая продукция отличается высокими прочностными и декоративными свойствами и успешно используется как для многоэтажного и элитного жилья (коттеджей), так и для строительства вспомогательных помещений (гаражей, складов, магазинов, кафе и др.). Ниже приводятся технические показатели лицевого кирпича (КЛ), производимого ООО «Р-Н-Д» на основе отходов дробления пород верхнемеловой карбонатной формации, отходов производства цемента Технико-экономическая эффективность изготовления гиперпрессованного кирпича определяется следующими показателями: -- организация производства на месте нахождения основного сырья, что исключает транспортные расходы на доставку основного объема исходных материалов; -- экологически чистая технология; -- использование промышленных отходов, не пригодных для повторного применения; -- отсутствие обжига изделий, в связи с чем энергетические затраты на производство гиперпрессованных стеновых и облицовочных материалов значительно ниже, чем керамического кирпича и силикатного кирпича автоклавного твердения; -- возможность изготовления кирпича различной конфигурации и различной цветовой гаммы; -- высокая прочность и эрозионная устойчивость; -- точность и строгость геометрических форм и размеров; -- подверженность механической обработке (тесаный кирпич); -- возможность производства элементов «дикого камня».

Следует отметить, что химическое сродство элементов кладочного раствора на основе цемента к известняку выше, чем к керамике. Гиперпрессованный кирпич имеет в своем составе и сам цемент, что еще больше увеличивает адгезию кладочных растворов на основе цемента. Это определяет прочность сцепления раствора с кирпичом в пределах 2,53 кгс/см2, достаточную для кладки I категории (нормативное сцепление с раствором более 1,8 кгс/см2). Послойная прочность кладки из гиперпрессованных кирпичей (на карбонатном заполнителе) на цементно-песчаном кладочном растворе в 1,7 раза выше послойной прочности кладки из керамических кирпичей той же геометрии и на том же растворе. Исследованные сырьевые материалы пригодны для получения гиперпрессованного кирпича, удовлетворяющего требованиям для строительства любых зданий в сейсмических районах, в том числе и для возведения кладки I категории. Этот факт является очень важным для горных и предгорных районов Южного федерального округа. До сих пор не используются значительные количества техногенных травертинов, которые накапливаются на ТЭЦ и представляют собой проблему при их утилизации.

В лаборатории технологической минералогии и новых видов минерального сырья РГУ получены первые положительные результаты по использованию отходов ТЭЦ в качестве прекрасного материала для гиперпрессования. Таким образом, широко распространенные в пределах Южного федерального округа карбонатные породы различного генезиса и их техногенные отходы представляют несомненный практический интерес при производстве значительных количеств высококачественных строительных материалов. Использование данных отходов позволит существенно улучшить экологическую ситуацию в районах отработки месторождений карбонатного сырья и на станциях ТЭЦ и решить имеющуюся потребность региона в строительных материалах, особенно стеновых, в связи с постоянно увеличивающимися темпами строительства. Для полной объективной оценки ресурсов техногенного карбонатного сырья как в Южном регионе, так и в отдельных областях, краях и республиках целесообразна постановка специализированных региональных работ с построением минерагенической прогнозной карты на это сырье для долгосрочного планирования комплексных геолого-разведочных и эколого-технологических работ в регионе.

В настоящий момент на рынке строительных материалов возникла необходимость в дешёвых и качественных бесклинкерных материалах, отвечающих требованиям как отечественных, так и мировых стандартов. При этом энергозатраты на такие материалы, в связи с современной дороговизной энерго- и теплоносителей, должны быть минимальными. Так использование гипсосодержащих отходов даёт большую базу для создания новых материалов, полученных с использованием инновационных технологий.

Возможность формирования кристаллизационных структур на основе двугидрата сульфата кальция по негидратационной схеме, предложенной А.Ф. Полаком, открывает новое перспективное направление в технологии строительных материалов и изделий непосредственно из двуводного гипса, в том числе гипсосодержащих отходов, без традиционного перевода его в вяжущее [1, 2]. Системы такого рода способны твердеть при наличии в них достаточного количества частиц тонкой фазы и внешнего давления, которые обеспечивают необходимый уровень пересыщения и сближение частиц соответственно.

В последнее время все больше исследований посвящены созданию многокомпонентных бесклинкерных водостойких гипсовых вяжущих, а также композиционных материалов с использованием различных добавок и наполнителей, в том числе щелочей. Однако роль щелочного компонента (каустификатора) в гипсовых системах исследователями рассматривается по-разному.

П.П. Будниковым установлена роль щелочей и их градация по каталитической способности по отношению к гипсу в системах, получаемых по гидратационной схеме, на основе полуводного гипса [3]. Градация щелочей по каталитической способности по отношению к гипсу имеет следующий вид:

КОН > NaOH > LiOH > NH4OH, или К+ > Na+ > Li+ > NH4+.

Растворы КОН, NaOH, LiOH относятся к ускорителям схватывания гипса, раствор аммиака относится к группе сильных замедлителей, как и насыщенный раствор извести.

А.В. Ферронской рассматривается возможность применения добавки извести совместно с минеральными добавками для бетонов на основе композиционного гипсового вяжущего [4].

Л. А. Кройчук при анализе возможности получения материалов на основе синтетических отходов ? фосфогипса предлагает использовать дополнительные материалы, которые, выделяя теплоту, приводили бы к частичной дегидратации фосфогипса дигидрата при прессовании, а также обрабатывать двуводный гипс веществами, имеющими различные рН (от 7 до 12), тем самым, изменяя его растворимость [5].

С целью изучения роли каустификатора на гипсовые структуры негидратационного твердения в Тверском государственном техническом университете были проведены исследования с использованием двухфакторного эксперимента.

В работе использовались следующие сырьевые компоненты: гипсосодержащие отходы Конаковского фаянсового завода, негашеная комовая известь Угловского завода, растворы NaОН и КОН.

Двуводный техногенный гипс в виде отработанных форм для литья, предварительно высушенный до постоянной массы, подвергали дроблению в щековой дробилке до получения зерен с размером не более 5 мм. Затем дробленый двуводный гипс подвергали помолу в шаровой мельнице до получения порошков грубого и тонкого помола [6].

Приготовленные сырьевые смеси затворяли щелочными растворами

Са(ОН)₂, NaОН и КОН с рН=6, рН=8, рН=10, рН=12

Щелочность контролировали с помощью стандартных индикаторов.

Двухстадийное прессование образцов-цилиндров производили на гидравлическом прессе с использованием давления 30 МПа. Образцы твердели в воздушно-влажных условиях в течение 7 дней при температуре t = (20±5) ⁰C и влажности W = (90±5) %. Испытание на прочность сухих прессованных образцов производили на гидравлическом прессе после 7 суток твердения. Результаты исследования приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Таблица 1 Влияние вида щелочи и щелочности среды на прочность прессованных образцов на основе техногенного двуводного гипса - отхода форм Конаковского фаянсового завода

Введение добавки щелочи влияет на прочность безобжигового прессованного материала на основе двуводного техногенного гипса (рисунок 1). На 7 сутки твердения наибольшую прочность имеют образцы с добавкой щелочи КОН при всех исследованных рН среды затворения.

При введении добавок NaОН и Са(ОН)₂ прочность образцов так же увеличилась в сравнении с образцами, сделанными на воде (при рН=6), но результаты по прочности оказались ниже, чем у образцов, полученных с использованием щелочи КОН. Несколько выше прочность у образцов, затворенных NaОН, по сравнению с образцами, затворенными раствором Са(ОН)₂.

Оказывает влияние уровень щелочности среды. Максимальную прочность имели образцы, затворенные щелочью КОН при рН=8 - 34,43 МПа. При дальнейшем увеличении рН среды прочность образцов снижается. Несколько ниже показатели прочности образцов при использовании щелочности среды затворения, равной 10. Прочность образцов составила 25,78 МПа при введении добавки NaОН и 22,97 МПа - Са(ОН)₂, у образцов с добавкой КОН данный показатель составил 31,55 МПа, что существенно выше.

Как видно из диаграммы (рисунок 1) имеется чёткий экстремум для каждого вида щелочи, который достигается при одном и том же значении рН среды.

Рисунок 1 ? Зависимость прочности прессованных образцов на основе техногенного двуводного гипса от вида щелочи и уровня щелочности среды

- рН = 6 (вода); - рН = 8; - рН = 10; - рН = 12

Хотя при щелочности среды затворения рН=12 испытуемый материал имел наименьший показатель прочности: при КОН - 25,81 МПа, при NaОН - 24,35 МПа, а при Са(ОН)₂ - 22,03 МПа, но данный показатель выше, чем у образцов, изготовленных на воде (рН=6). Прочность таких образцов в среднем достигала 21 МПа.

Результаты исследований согласуются с исследованиями П.П. Будникова. Согласно полученным данным для структур негидратационного твердения наиболее активной добавкой является гидрат калия КОН. При ее использовании вероятно происходит образование наибольшого числа водородных связей, а также взаимодействие с кислородоводородной группой (кристаллами) гипса. За счет этого усиливается взаимодействие между жидкой фазой и поверхностью кристалла, возникает внутреннее давление и отжим воды из пространства между частицами. Роль капиллярных сил становится настолько велика, что происходит сближение кристаллов на расстояния, обеспечивающие процесс их срастания. В дальнейшем происходит рост кристаллизационных контактов и прочность с течением времени повышается.

Таким образом, проведенные исследования показали, что на формирование гипсовых систем негидратационного твердения оказывают влияние щелочность среды и вид применяемой щелочи. Наиболее эффективной добавкой является щелочь КОН, которая позволяет повысить прочность образцов в среднем на 60 % по сравнению с образцами, затворенными водой. Оптимальным значением щелочности среды для добавки КОН при полусухом прессовании материала из двуводного гипса оказалось рН=8. Регулирование зернового состава материала негидратационного твердения, как одно из необходимых условий получения кристаллизационной структуры на основе двуводного гипса, взаимосвязано со щелочностью среды и видом применяемой щелочной добавки.

Полученные безобжиговые гипсовые материалы имеют высокие показатели по прочности на сжатие, наибольшая прочность составляет 34,43 МПа, что открывает новые перспективы в производстве стеновых материалов на основе доступных местных экологически чистых отходов промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полак А.Ф., Ляшкевич И.М., Бабков В.В., Раптунович Г.С., Анваров Р.А. О возможности формирования кристаллизационных структур на основе двугидрата сульфата кальция // Известия вузов. - 1987. - №10. - С.55.

2. Белов, В.В. Современные эффективные гипсовые вяжущие, материалы и изделия [Текст]: научно-справочное издание / В.В. Белов, А.Ф.Бурьянов, В.Б. Петропавловская; под общ. ред. А.Ф. Бурьянова. Тверь: ТГТУ, - 2007. -.

3. Будников, П.П. Неорганические материалы [Текст] / П.П. Будников // Москва, 1968.

4. Кройчук, Л.А. Ведущие мировые производители гипсовых изделий [Текст] / Л.А. Кройчук // Строительные материалы. - 2005. - №9. - С.45.

5. Ферронская, А. В. Эксплуатационные свойства бетонов на основе композиционного гипсового вяжущего [Текст] / А. В. Ферронская, В.Ф. Коровяков // Строительные материалы. - 1998. - № 6. - С.34.

6. Пат. 2278841 Российская Федерация, С 04 В 28/14, С 04 111/20. Сырьевая смесь для изготовления гипсовых изделий и способ их изготовления [Текст] / Петропавловская В.Б., Кедрова Н.Г., Беликов А.В., Назарова Е.А., Свечникова О.С., Морозова О.С., Тихонов П.В.; заявитель и патентообладатель Тверской гос. техн. ун-тет. №2005102451/03; заявл. 01.02.2005; опубл. 27.06.2006, Бюл. №18.

7. Баженов П.И. Комплексное использование минерального сырья при производстве строительных материалов. Ленинград-Москва, 1983.

8. Гладких К.В. Шлаки - не отходы, а ценное сырье. М., Стройиздат, 1986.

9. Глуховский В. О. Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях. Киев, Вищашкола, 1991

10. Гольдштейн Л.Я., Штейерт Н.П. Использование топливных зол и шлаков при производстве цемента. Ленинград, Стройиздат, 1987.

11. Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. Охрана окружающей среды. Научно-технический реферативный сборник. Вып. 12, М., 1996.

12. Майборода В. Ф Применение вулканических шлаков в строительстве. М.,Стройиздат,1988.

13. Мещеряков Ю.Г. Гипсовые попутные промышленные продукты и их применение в производстве строительных материалов. Ленинград, Стройиздат, 1982.

14. Спивак. Н.Я. Легкий бетон. М., Стройиздат, 1990

15. Чистяков Б.З. Использование отходов промышленности в строительстве, Ленинград, 1987.

Размещено на Allbest.ru