Основы производства известково-песчаных изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы производства известково-песчаных изделий

Введение

С 1880 года, после изобретения автоклавного твердения известково-песчаных изделий, силикатный кирпич стал во всём мире одним из широко распространённых искусственных строительных материалов.

Исследования, произведённые в последние два десятилетия, главным образом в СССР, показали, что из извести и песка можно изготовлять все виды индустриальных строительных деталей значительно дешевле и не худшего качества, чем из бетона на портландцементе. Оказалось, что качество известково-песчаных изделий зависит не только от автоклавного режима, но решающее значение имеет подготовка смесей, в особенности механическая обработка песка и гомогенизация смеси.

Одним из эффективных методов подготовки смеси является разработанный по инициативе и под руководством автора дезинтеграторный способ.

При этом способе механическая активация зерён песка, измельчение их и частиц извести, смешение песка и извести между собой и с требуемым для формования количеством воды, а при изготовлении газоизделий и с алюминиевой пудрой, производится одновременно в дезинтеграторе специальной конструкции.

До последнего времени детали дезинтегратора, которые ударяют зёрна песка с большой силой, изготовляют из мягкой стали марки Ст-3, и поэтому они сравнительно быстро истираются и требуют замены.

Несмотря на этот недостаток, дезинтеграторный способ изготовления известково-песчаных изделий практически оказался более прогрессивным, чем другие. Это подтверждается тем, что в течение пяти последних лет построены и пущены 34 силикальцитных завода. Прекратил выпуск силикальцитных изделий только один завод - в Ликино, около Москвы, и то не по причине технологических недостатков, а потому, что его местоположение препятствовало расширению машиностроительного завода. Не меньшее число новых заводов сейчас находится в стадии постройки и проектирования. В текущем году, согласно лицензии, предоставленной по договору Советским Союзом, начата организация производства силикальцитных изделий в Италии.

В диссертации, кроме разработки теоретических основ нового, дезинтеграторного способа обработки смесей, рассматривается ряд теоретических и практических вопросов в области формования и запаривания тонкодисперсных смесей, содержащих большой объём воздуха. Эти работы позволили разработать технологию сборных конструкций из ячеистого силикальцита высокого и стабильного качества. При этом оказалось необходимым изложить ряд новых теоретических положений, относящихся, в частности, к процессам, происходящим при твердении известково-песчаного сырца и помоле песка. Так как эти новые положения противоречат существующим понятиям в этой области, для их обоснования в диссертацию внесено описание новых исследований, опытов и данные их результатов. Это значительно увеличило объём диссертации.

Быстро развивающаяся силикальцитная промышленность крайне нуждается в здании пособий по теоретическим и практическим вопросам производства. В связи с тем, что диссертация печатается в виде отдельной книги и её выход из печати ожидается в начале 1961 года, автор написал свою работу так, чтобы инженерно-технический персонал мог использовать её и в качестве пособия для освоения основ силикальцитного производства. Поэтому в работе приведён также известный квалифицированным специалистам материал, что снизило ценность диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук. Автор выражает надежду, что читатели автореферата и диссертации признают искреннее стремление автора, предельно загруженного работой по практическому внедрению силикальцита, всеми средствами содействовать быстрому росту числа специалистов, необходимых для производства, и простят ему предоставление диссертационной работы в таком виде.

Представляемая работа содержит 11 глав на 809 страницах, с 159 таблицами, 261 рисунком и 611 ссылками на литературные источники.

Основная часть исследований и опытов, изложенных в диссертации, автором выполнена в секторе известково-песчаных материалов Института строительства и строительных материалов Академии Наук Эстонской ССР и на Опытном заводе Управления промышленности строительных материалов Совета народного хозяйства Эстонской ССР.

В работе учтён также практический опыт, накопленный в период пуска многих силикальцитных заводов при непосредственном участии автора (цеха при заводах Кировском и Ижорском в Ленинграде, заводы в Барнауле, Джизаке, Лодейном Поле, Гродно, “Мяннику” в Таллине и др.)

Содержание работы

Глава I. Исторический обзор

До сих пор не было полной монографии, освещающей изготовление известково-песчаных изделий не только в СССР, но и в других странах.

С 1880 года в журналах и отдельных изданиях было напечатано около 1500 работ, из них около 25% в СССР, рассматривающих отдельные вопросы изготовления известково-песчаных изделий. Автору удалось ознакомиться с большим количеством этих работ или их рефератами. Эти материалы были использованы при составлении краткого исторического обзора производства известково-песчаных изделий.

Глава II. Сырьевые материалы

Из сырьевых материалов, применяемых в производстве известково-песчаных изделий, главное место занимает песок, входящий в состав изделий в количестве 80 - 90%.

В этой главе дан краткий обзор происхождения песка, химического и минералогического составов и физических показателей природных песков.

Приведён обзор требований, которые исследователи предъявляли к пескам, пригодным для производства силикатного кирпича.

По диаграмме проф. Рухина изучается степень пригодности песков для производства известково-песчаных изделий в зависимости от их происхождения и делаются выводы, что индекс качества песка снижается со снижением среднего диаметра зёрен и уменьшением стандартного отклонения.

Указывается, что пески различного происхождения после их обработки в дезинтеграторе располагаются на диаграмме Рухина близко один от другого.

Прочность образцов, изготовленных из дезинтегрированного песка, составленного из отдельных фракций, выше (до 30%), чем у образцов, изготовленных при одинаковых условиях из природного песка того же гранулометрического состава, также составленного из отдельных фракций.

Введено понятие индекса качества песка. Индекс качества песка выражается отношением прочности двух образцов, изготовленных из смесей равной удельной поверхности дезинтегрированного песка и равного количества извести, прессованных до равной плотности и запаренных в одном и том же автоклаве. Первый образец изготовлен из песка, индекс качества которого определяется, второй же - из эталонного песка местного карьера Таллинского завода “Кварц”.

Исследуются индексы качества 190 песков различных месторождений. Пески с большим содержанием SiO₂, как правило, обладают более высоким индексом качества. С повышением содержания глины в песке индекс качества понижается, но и из такого песка можно готовить высокопрочные силикальцитные изделия, если увеличить расход извести. Небольшое содержание органических примесей в песке не сказывается на прочности изделий. При достаточной обработке песка в дезинтеграторе индекс качества песка не зависит от природного гранулометрического состава. Разработана методика определения индекса качества по лабораторным показателям природного песка.

Дано краткое описание происхождения известняков, их минералогического и химического составов и геологического распространения. Рассматриваются основы обжига извести и результаты электронномикроскопических наблюдений препаратов известей различных режимов обжига. Приведены главнейшие методы обжига извести и обзор требований, предъявляемых различными исследователями к извести, пригодной для изготовления силикатного кирпича. Данные испытаний известково-песчаных изделий, изготовленных из смесей, обработанных в дезинтеграторе, показывают, что к качеству извести предъявляются меньшие требования, чем при приготовлении смесей другими способами. Это объясняется дополнительным повышением дисперсности извести и высокой гомогенизацией смесей в дезинтеграторе.

Анализируются теоретические основы процессов гашения и технические свойства гашеной извести в зависимости от различных технологических приёмов гашения и свойств негашеной извести. Для получения тонкозернистой гашеной извести из известей различного обжига приводятся рекомендации по гашению.

Доказывается, что получение качественной гашеной извести из трудногасящейся в сроки, удовлетворяющие производство, возможно только при гашении извести под давлением насыщенных водяных паров свыше 4 ати.

Детально рассматривается разработанный нами лабораторный метод испытаний и оценки постоянства объёма гашеной извести, рекомендуемый для применения на заводах. В описании исследований процессов гашения трудногасящихся известей под давлением насыщенных водяных паров приведены рекомендации применения нового метода определения степени загашенности извести изменением веса пробы извести во время её гашения в лабораторном автоклаве. Рассматриваются возможности воздействия на процесс гашения извести различными химикалиями.

Электронномикроскопические наблюдения и фотоснимки препаратов различных известей позволили изучить характер зёрен и влияние на них способов гашения. Разработаны метод предотвращения карбонизации извести под действием находящегося в воздухе углекислого газа и установка для изготовления препаратов, приводится её описание.

В конце главы сделано описание некоторых установок для гашения помола извести, применяемых на производстве, и приведён анализ их работы. Кратко рассматриваются свойства воды, пригодной для изготовления известково-песчаных изделий.

Глава III. Твердение известково-песчаных материалов при обычной температуре

Несмотря на то, что известково-песчаные смеси применяют уже тысячи лет, до сих пор имеются разные точки зрения о сущности процессов их твердения. Твердение известково-песчаного монолита при обычной температуре происходит, в основном, в результате четырёх различных процессов:

а) испарение воды из извести коллоидного состояния, которое увеличивает когезионные и адгезионные силы, действующие между частицами извести и песка;

б) химических реакций между содержащимися в извести и песке активными кислотными соединениями и частицами извести, в результате которых возникают подобные гелю соединения, твердеющие после перекристаллизации и гидратации аналогично гидравлическим вяжущим;

в) химической реакции между известью и зёрнами песка кристаллического состояния;

г) карбонизации частиц извести под действием содержащегося в воздухе углекислого газа.

Все эти процессы рассматриваются детально. Приведены данные, определяющие их объём и удельное значение.

Исследования показали, что при твердении смесей, приготовленных из молотой негашеной извести и песка, в действительности, по-видимому, иных процессов не происходит, как это предполагают некоторые авторы, например Б. В. Осин и И. В. Смирнов. В таких смесях известь гасится в воде, в результате чего количество воды в смеси уменьшается и процессы, указанные в п. "а", ускоряются и становятся возможными при высокой относительной влажности, а в некоторой степени даже в воде.

Опыты показали, что изделия, изготовленные из дезинтегрированных известково-песчаных смесей, набирают бо'льшую прочность, чем изделия, изготовленные из недезинтегрированных смесей. В лабораторных условиях были изготовлены из дезинтегрированных смесей образцы объёмным весом 1,9 г/см³, которые после твердения при обычной температуре в течение 28 суток имели прочность на сжатие до 300 кг/см².

Глава IV. Процессы, происходящие в известково-песчаных изделиях при автоклавной обработке

В начале главы приводится обзор существенных точек зрения на процессы автоклавного твердения известково-песчаных изделий и свойств вяжущего. До настоящего времени существуют различные мнения о сущности автоклавного твердения известково-песчаных изделий. Однако ни одна из предложенных теорий не объясняет практические результаты опытов и исследований, проведённых в области известково-песчаных изделий, изготовленных дезинтеграторным способом.

Если при автоклавном твердении известково-песчаных изделий новообразование возникает в результате реакций только в водном растворе извести и песка, как это утверждают многие авторы, то частицы извести диаметром менее десятых миллиметра, находящиеся между зёрнами песка, должны растворяться и участвовать в реакции. В действительности же они остаются неизменяемыми в течение всего процесса запаривания. Так же не изменяются в изделиях небольшие комки тонкого песка, склеившиеся естественной цементацией, хотя маловероятно, что они оставались в автоклаве не обложенными раствором извести. Результаты опытов позволили сделать утверждение, что возникновение новообразования нельзя объяснять только реакциями в водном растворе песка и извести. Наблюдения запаренных образцов, изготовленных из отдельных слоёв песка и извести, показали, что даже при самых благоприятных условиях частицы песка и извести могут перемещаться при запаривании на расстояние не больше 200 м. Поэтому, для получения однородной структуры изделий, большое значение имеют дисперсность извести и гомогенность смеси. При запаривании сухих, плотно спрессованных смесей в герметически закрытых сосудах твердение не происходит. Это указывает, что для твердения смеси необходимо присутствие воды.

Описаны опыты, усиливающие процессы монолитизации при помощи добавок и помола песка. Более эффективным в усилении этих процессов оказалось применение высоких температур запаривания (давлений пара) и молотого песка в смеси. Эти приёмы были известны ещё 60 лет назад, но по соображениям экономического характера они в производстве силикатного кирпича применялись мало.

Вкратце описываются общие принципы помола песка и рассматриваются применяемые для этого механизмы - шаровая мельница, вибромельница и разработанный автором дезинтегратор. Рассматриваются процессы помола, происходящие в этих агрегатах.

Произведённые в 1949 - 1953 годах исследования показали, что прочность на сжатие изделий, изготовленных из дезинтегрированных смесей, можно рассчитать, зная удельную поверхность песка в смеси, содержание извести, объёмный вес изделия, продолжительность и температуру запаривания. Ещё тогда автор полагал, что с точки зрения технологии изготовления известково-песчаных изделий не имеет значение, в каком агрегате песок обработан до равной удельной поверхности. Для проверки этого предположения была произведена широкая серия опытов с песком карьера завода “Мяннику”, который мололи в различных агрегатах до равной удельной поверхности. Чтобы исключить влияние степени гомогенизации различных агрегатов, пески перемешивали вручную с равными количествами извести и воды. Испытания на прочность образцов, отформованных до одного объёмного веса и затем запаренных одновременно в одном автоклаве, показали, что образцы, изготовленные из дезинтегрированного песка, имели прочность бо'льшую (до 80%), чем образцы, изготовленные из песка, молотого в шаровой мельнице или вибромельнице. Это указывает на то, что один и тот же песок, после помола в различных агрегатах до равной удельной поверхности, имеет различное технологическое качество.

Этот новый вопрос автором детально исследуется и определяются различия в свойствах песков, молотых в разных агрегатах.

На фотоснимках, снятых оптическим и электронным микроскопами, были произведены измерения зёрен песка и зафиксированы различия геометрической формы, показателей контуров и формы зёрен песка. Различия гранулометрического состава изучались по функциям, аналогичным помольным функциям D, H, M, V, которыми пользовались Г. Ф. Хюттинг. Изучение этих функций показало, что шаровая мельница размалывает преимущественно крупные зёрна и поэтому в молотом песке содержание таких зёрен значительно меньше, чем при помоле песка до той же удельной поверхности в других агрегатах. Тонких фракций шаровая мельница выдаёт сравнительно много.

В вибромельнице размалываются, главным образом, мелкие зёрна песка; часть крупных зёрен сохраняется даже при помоле до высокой удельной поверхности.

В дезинтеграторе сильными ударами пальцев корзин в первую очередь раздробляются крупные, по структуре непрочные зёрна. Так как мелкие зёрна имеют более высокую прочность, чем крупные, то они раздробляются меньше. Поэтому, при помоле в дезинтеграторе, содержание самых тонких фракций значительно меньше, чем при помоле в шаровой мельнице ивибромельнице.

Структурная прочность песка, молотого в различных агрегатах до одинаковой удельной поверхности, определялась следующим образом. В металлический цилиндр помещалось во всех случаях равное количество песка, которое сжималось давлением пресса до 625 кг/см², после чего вновь определялась его удельная поверхность. Отношение начальной удельной поверхности песка к полученной после его сжатия было названо структурной плотностью. Оказалось, что структурная плотность песка, обработанного в дезинтеграторе выше, чем у природного и значительно выше, чем у молотого в шаровой мельнице и вибромельнице.

Структурная прочность песка проверялась также следующим путём. Кубические формы заполнялись равным весовым количеством песка, молотого в различных агрегатах до равной удельной поверхности, и погружали в сосуд с водой так, чтобы уровень воды немного превышал высоту форм. Затем сосуд с формами помещали в холодильный шкаф. После замораживания лёд в кубиках представлял вяжущее, а песок заполнитель. Испытания таким образом на сжатие показали, что кубики, заполненные дезинтегрированным песком, имели более высокую прочность. Наличие меньшего количества дефектов в структуре дезинтегрированного песка подтверждается также тем, что после 25 циклов замораживания и оттаивания прирост его удельной поверхности оказался значительно меньше, чем у песка, молотого в шаровой мельнице и вибромельнице.

В работе приводится теоретическое изложение сущности процесса дробления зёрен песка в различных агрегатах; рассматриваются причины образования различной структурной прочности молотых песков.

Путём сравнения прочности запаренных и замороженных кубов автор доказывает, что различие прочности образцов, изготовленных из дезинтегрированной смесей при прочих равных условиях, трудно объяснить только лишь большей структурной прочностью песка. Известную часть прироста прочности следует отнести за счёт возникающего между зёрнами песка более прочного сцеления и более прочного новообразования. Вычисления, сделанные по формулам для удара упругих тел, показали, что в дезинтеграторе зерно песка диаметром 0,2 мм при каждом ударе о палец корзин деформируется на глубину до 15 м и сила деформации доходит до 2000 г, продолжительность удара составляет около 3 х 10^-7 сек, мощность удара 88 кгм/сек, соприкосновение при максимальной деформации достигает 8700 м² и максимальное напряжение в момент удара составляет 23000 кг/см². Можно полагать, что в таких условиях кристаллическое вещество поверхности зерна активизируется, а процессы диффузии и возникновения новообразования в дезинтегрированных известково-песчаных смесях при запаривании происходят более интенсивно, что способствует образованию прочной структуры силикальцитных изделий.

Исследования показали, что пески, обработанные в дезинтеграторе, и пески, молотые в шаровой мельнице и вибромельнице, имеют различные объёмные и удельные веса и разные термограммы.

Опыты показали, что термические эффекты, происходящие в изделии при автоклавном твердении, невозможно измерить при помощи термопар. Поэтому автором диссертации была разработана методика определения термического эффекта, основанная на регистрации изменений веса образцов во время запаривания.

Определения термического эффекта в известково-песчаном сырце различной плотности показали, что в условиях, способствующих б'ольшему растворению компонентов смеси (небольшая плотность, большое количество свободной воды в сырце), экзотермический эффект повышается и достигает 50 калорий на грамм сухого вещества (рис. 1). Экзотермический эффект у плотно спрессованных образцов из хорошо активизированных и гомогенизированных в дезинтеграторе смесей вдвое меньше.

Для определения прочности образцов во время запаривания в автоклаве была сконструирована специальная установка (рис. 2). Один из графиков изменения прочности образцов, полученные в результате испытаний при запаривании, приведён на рис. 3. Опыты показали, что прочность образцов при запаривании возрастает сравнительно равномерно до максимума, а затем начинает снижаться. В период выпуска пара прочность образцов, как правило, повышается, а при некоторых составах смеси с песком небольшой тонины помола наблюдается понижение. Это явление аналогично повышению прочности некоторых огнестойких материалов при повышении температуры. Внутреннее напряжение в структуре, возникающие в результате процессов диффузии, минимальны при температуре её образования. Внутренние напряжения, возникающие при понижении температуры, снижают прочность изделия. Если бы при образовании гетерогенной структуры существенную роль играли гелеобразные склеивающие вещества гидросиликата кальция, тогда должно было бы происходить существенное повышение прочности. Именно в стадии выпуска пара влажность изделий существенно уменьшается, в результате чего должно происходить повышение прочности геля.

Рис. 1. Кривые термического эффекта образцов из смесей: I - с удельной поверхностью 1108 см²/г и II - 939 см²/г по отдельным промежуткам измерений

Рис. 2. Схема установки испытаний образцов на сжатие во время запаривания: 1 - лабораторный автоклав, 2 - пресс, 3 - приспособление для замены образцов под прессом, 4 - масляный вентиль, 5 - манометр, 6 - насос, 7 - бак для масла, 8 - окошко, 9 - образец

В работе детально рассматривается структура известково-песчаных монолитов - макробетонная, микробетонная и структура вяжущего, а также закономерности их образования. Анализируются возможные различия структуры изделий из смесей, обработанных в дезинтеграторе и другими способами. Представлена схема вероятной микробетонной структуры известково-песчаных изделий (рис. 4). По содержанию растворимой SiO₂, определяемой химическим анализом, вычисляется ориентировочная толщина отдельных областей структуры. Опыты показали, что при небольших изменениях способа определения содержания растворимой SiO₂ получаются значительные расхождения. Это даёт основание полагать, что в структуре силикальцита между растворимой и кристаллической SiO₂ нет резких границ.

В структуре силикальцита известь связана не одинаково прочно. Опытами доказывается, что при запаривании образца, изготовленного из размельчённого в порошок силикальцита, увлажнённого и уплотнённого до первоначальной плотности, его прочность достигает 50% от прочности силикальцита, из которого был сделан образец. Это показывает, что часть извести была непрочно связана в структуре силикальцита и имела возможность при вторичном запаривании участвовать в образовании новой структуры.

Структура новообразования изучалась электронномикроскопическим способом. Оказалось, что поры новообразования имеют размер около 70 м м, угловатую с закругленными уголками форму; отдельные поры круглые. После карбонизации размеры пор новообразования уменьшаются и на электронномикроскопических фотоснимках препаратов наблюдается увеличение прямых граней, характеризующих кристаллическое вещество. Зафиксированы некоторые изменения структуры после повторного увлажнения и высушивания силикальцита и после повторных циклов замораживаний и оттаиваний. Были также отмечены некоторые различия между новообразованиями известково-песчаных образцов, запаренных при небольших (6 и 8 ати) и высоких (25 ати) давлениях пара.

Вопросы закономерности образования структуры монолита также исследовались электроннографическим способом и дифференциальными термоанализами.

Большая серия опытов показала, что и вода в структуре силикальцита связана не одинаково прочно. При высушивании изделий до постоянного веса при температурах 100, 105, 120 и 190є было установлено различное содержание в них воды. В зависимости от последовательности насыщения образцов водой до и после высушивания, разница в содержании влажности доходит до 2-х раз и зависит от характера силикальцитной смеси. Оказалось, что объём пор, подсчитанный по удельным весам песка и извести, у некоторых изделий меньше объёма, требуемого для водопоглощения.

Если определение удельного веса силикальцита производить при помощи ксилола, то у некоторых силикальцитных изделий степень заполнения пор водой оказывается больше 100%. При определении удельного веса при помощи воды вычисленная степень заполнения пор на в одном случае не превышает 100%.

Почему удельные веса силикальцита, определённые при помощи ксилола, значительно ниже удельных весов, определённых при помощи воды, этот вопрос ещё не вполне ясен. Возможно, что вода в силикальците проникает в молекулярную структуру новообразования или прочно соединяется с поверхностью вещества новообразования, при этом её плотность становится выше. Ксилол же, видимо, не проникает в очень мелкие поры новообразования даже при кипячении в течение 8 часов.

Рис. 3. Прочность образцов при запаривании и выпуске пара.

Сплошными линиями обозначены прочности образцов, изготовленных с различной удельной поверхностью песка и различной активностью смеси. Пунктиром обозначены прочности образцов, изготовленных с различной активностью смеси, но одной удельной поверхностью песка в смеси, равной 466 см²/г. Все образцы имели объёмный вес 1,8 г/см³, влажность сырца 7%. Максимальное давление пара 10 ати.

Рис. 4. Вероятная микробетонная структура автоклавных известково-песчаных изделий

Детально изучалось изменение прочности силикальцитных образцов при хранении их в различных условиях. При уменьшении влажности прочность образцов повышается. Прочность при нагревании до 450є увеличивается и сохраняется при температуре до 750є. При восстановлении влажности прочность образцов становится прежней. Карбонизация изделий повышает прочность до 40%. Освобождающаяся при карбонизации Ca(OH)₂ вода частично остаётся в структуре изделия в виде гидратной воды.

Зависимость прочности изделий, изготовленных из отдельных смесей, от продолжительности и температуры запаривания устанавливалась многими учёными, но вследствие того, что исследования проводились с различными сырьевыми материалами, в результатах имеются значительные расхождения и даже противоречия. Для выяснения этой зависимости у изделий, изготовленных из обработанных в дезинтеграторе смесей, были проведены специальные опыты.

В 1952 году автор в своей книге изложил теоретические соображения пришёл к выводу, что прочность известково-песчаных изделий можно выразить следующей функцией:

R = f (б, в, г),

гдеR - прочность известково-песчаного изделия на сжатие;

б - автоклавный режим (температура, продолжительность запаривания при максимальной температуре, скорость впуска и выпуска пара);

в - свойства смеси (дисперсность извести и песка, активность поверхности их частиц, структурная прочность песка, гомогенность смеси, взаимное соотношение количества извести и воды и т.п.);

г - структура и плотность отформованного сырца.

Все образцы изготовлялись из дезинтегрированных смесей плотностью 1,6 и 1,9 г/см³ с удельной поверхностью песка в смеси 150, 300, 600, 1200 и 2000 г/см²; запаривание производилось при температуре 99є (0 ати), 133є (2 ати), 164є (6 ати), 183є (10 ати), 203є (16 ати) и 225є (25 ати); продолжительность запаривания составляет 2, 4, 8, 15 и 50 часов. Для каждой удельной поверхности песка принималось три дозировки извести: оптимальная (ориентировочная), на 25% ниже и на 25% выше. Для каждого значения плотности, состава смеси и режима запаривания было изготовлено по 6 образцов, по 3-м из них определяли прочность на сжатие. Результаты опытов приведены в таблицах и графиках. Данные этих опытов позволили разработать два способа расчёта прочности силикальцитных изделий по показателям значений активности смеси, удельной поверхности песка в смеси, объёмного веса изделий, продолжительности запаривания и давлению пара. Описание способов расчёта прочности, графики и формулы приведены в этой главе. Оба способа дают достаточно точные результаты и могут быть использованы для практических целей.

Один способ основан на суммарной величине поверхности зёрен песка, находящихся в контакте с мостками новообразования, и на учёте прочности мостков и является простым. Прочность изделий выражается следующей формулой:

Где е - удельная поверхность песка в смеси;

a - активность смеси;

A и B - множители, зависящие от режима запаривания, приведённые в соответствующей таблице или графике

В работе рассматриваются изменения количества свободной извести и растворимой SiO₂, происходящие при запаривании образцов.

В конце главы сделан анализ свойств смеси, сырца и автоклавных режимов, необходимых для изготовления прочных монолитов. Приведена формула расчёта оптимального количества извести в смеси в зависимости от максимальной прочности изделия и лучшей уплотняемости. Анализируется оптимальный гранулометрический состав песка, приводятся выполненные автором расчёты, определяющие диаметры шаров различной величины, которые отвечают максимально плотному заполнению пространства. Показывается, что обработка в дезинтеграторе однородных песков придаёт им хороший гранулометрический состав.

Приведены замечания автора относительно добавок, рекомендованных к применению при производстве известково-песчаных изделий. Добавки, которые реагируют с известью более активно, чем песок, препятствуют зёрнам песка участвовать в образовании прочной структуры и отрицательно сказываются на качестве изделий. Многие добавки улучшают формуемость смесей, и их применение может оказаться целесообразным. Ещё не определены добавки, значительно улучшающие качество структуры силикальцита. Анализируется воздействие химического и минералогического составов сырья на прочность изделий и сделан вывод, что силикальцитные изделия обладают наибольшей прочностью, если они изготовлены из чистых компонентов - кристаллического песка и чистой извести.

Дан обзор свойств поверхностей сырьевых материалов и их значения для образования прочной структуры силикальцита. Опыты показывают, что активность поверхностей песка, полученная в дезинтеграторе, после двухмесячного выдерживания песка в герметично закрытых сосудах начинает снижаться. Образцы, изготовленные через полгода после обработки песка в дезинтеграторе, теряют от 20 до 50% прочности независимо от того, хранился дезинтегрированный песок с известью или отдельно, во влажном или сухом состоянии. Производится гашение извести совместно с песком или отдельно, это не оказывает никакого влияния на прочность изделий. Но большое значение имеет гомогенность смеси. Опыты показывают, что обработка смеси в дезинтеграторе повышает прочность изделий, в зависимости от характера смесей в 1,2 - 1,9 раз по сравнению с прочностью, получаемой при смешении компонентов смеси вручную. Замешивание в смесь других компонентов (воды или алюминиевой пудры), при обработке извести и песка в дезинтеграторе, улучшает свойства смесей и качество изделий. Исследования показывают, что каждому составу смеси и структуре сырьевого материала соответствует своё оптимальное давление пара и продолжительность запаривания, при которых изделия достигают максимальной прочности.

Результаты исследований и данные производства силикальцитных ктера смесей в 1,2 - 1,исимо от того химического и минеаиликаизделий полностью подтвердили теоретическую схему образования структуры силикальцита, разработанную автором в 1953 году.

Глава V. Напряжения, возникающие в известково-песчаных изделиях при водотермической обработке, и вызываемые ими дефекты. Рациональное запаривание

В этой главе рассматриваются состояние изделий в зависимости от механических и температурных напряжений в 3-х стадиях запаривания. Анализируются вопросы конденсации пара в автоклаве и в изделиях в первой стадии запаривания и образующиеся при этом дефекты монолита. Приведена расчётная схема количества конденсата и доказывается, что вычисленный и фактический расход пара на запаривание практически равны, если учесть образующийся при твердении изделий экзотермический эффект. Даны некоторые практические указания, предупреждающие образование в изделиях дефектов, вызываемых конденсатом. В период подъёма пара температура внутри изделия ниже, чем в паровом пространстве, поэтому изделия находятся под паровой нагрузкой. Если сырец представляет собой сжимаемую структуру, например, ячеистую, то под действием паровой нагрузки в таких изделиях возникают различные дефекты. Путём измерения температуры внутри изделий, на различном расстоянии от свободной поверхности, вычисляются значения паровых нагрузок. Описан характер дефектов и даны указания, как предупредить их образование от действий паровой нагрузки, выбирая режим подъёма давления пара, соответствующий характеристике запариваемых изделий. Детально рассматриваются температурные напряжения, возникающие в изделиях в период подъёма пара. В противоположность существующим мнениям указывается, что температурные напряжения в изделиях в период подъёма давления пара должны быть небольшими и они не могут вызывать трещины или другие дефекты в изделиях. Если в автоклав поступает перегретый пар, то открытые поверхности изделий интенсивно высыхают и покрываются трещинами.

Приведены результаты вычислений и изменений парционального давления воздуха в автоклаве. Величина парционального давления при обычных режимах запаривания достигает 1,6 ати. При выпуске воздуха температура в автоклаве при том же давлении повышается. Но при запаривании изделий, имеющих много пор, заполненных воздухом, выпуск воздуха из автоклава производить нельзя, так как образующиеся внутри пор давления воздуха может разрушить ещё не затвердевшие, непрочные изделия. Рассматриваются дефекты изделий, возникающие от парциального давления воздуха. После запаривания в течение двух-трёх часов при максимальном давлении пара изделия приобретают прочность, которая позволяет производить выпуск воздуха из автоклава. Указывается на возможность уравновешивания напряжений, образующихся от паровой нагрузки и от давления воздуха в порах изделий. Для этого следует регулировать величину парциального давления воздуха в автоклаве соответственно величине паровой нагрузки.

Установлены пределы колебаний давления пара в автоклаве и приводятся кривые, показывающие с какой скоростью следует производить равномерное снижение давления пара в определённый период запаривания без опасения появления разрушений и дефектов в изделиях. Вычислены значения напряжений, возникающих при запаривании под действием гашения извести в изделиях. Приведены данные, показывающие, что догашивание извести при запаривании можно допускать только в ячеистых изделиях. Известь в прессованных изделиях должна быть загашена до запаривания, в противном случае неизбежно появление брака. Замораживание изделий до запаривания не снижает их прочности, если при замораживании не возникли видимые дефекты.

Во второй стадии запаривания в изделиях, в результате образующегося при твердении экзотермического эффекта, возникают температурные напряжения, но их удельное значение небольшое. У изделий, изготовленных из тонкодисперсных смесей, литых с большой формовочной влажностью, экзотермический эффект может вызвать интенсивное высыхание и появление специфических трещин. Под действием самого процесса твердения деформаций в изделиях не возникает. Опыт показывает, что прочность изделия не изменяется, если оно во время запаривания находится в водной среде.

В третьей стадии запаривания наибольшее значение имеет испарение воды из изделий, что сопровождается образованием температурных напряжений и напряжений от высыхания изделий. Внутри изделий образуется также давление пара. Пар должен выпускаться из автоклава со скоростью, при которой указанные силы не должны превышать прочность изделий. Приведён приближённый расчёт этих сил.

В целях экономии тепловой энергии при подъёме давления пара конденсат следует непрерывно удалять из автоклава, во второй же стадии запаривания выпуск конденсата должен быть прекращён. В автоклав, в котором предусматривается произвести подъём давления пара, следует впустить конденсат, а затем производить перепуск пара. Расчёт показывает, что при рациональном режиме выпуска пара изделия получаются сравнительно сухие. Приведены рациональные режимы запаривания сборных конструкций, значительно отличающиеся от рекомендуемых в литературе. Целесообразность их применения подтверждается высоким качеством конструкций, выпускаемых всеми силикальцитными заводами. В конце главы приведены данные, из которых видно, что наиболее экономичным давлением пара при запаривании силикальцитных изделий является 12 ати.

Глава VI. Формование плотных известково-песчаных изделий

Дан метод определения удобообрабатываемости и прессуемости смесей при формовании прессованием. Удобообрабатываемость определяется по формуле:

y = R ·д

где y - численный показатель удобообрабатываемости смеси;

R - прочность на сжатие сырца в кг/см², прессовавшегося под давлением 200 кг/см²;

д - относительная деформация в %, измеренная в момент разрушения сырца.

Показатель прессуемости смеси p выражается формулой:

Где у - давление пресса, требуемое для формования смеси до объёмного веса сухого вещества 1,9 г/см³.

Исследуется зависимость этих показателей от характера смесей.

Приведены результаты опытов и данные производства, показывающие, что силикальцитные смеси можно уплотнять трамбованием до объёмного веса 1,9 г/см³. Сделан обзор общих принципов вибрирования и указаны особенности уплотнения известково-песчаных смесей этим способом. Приведена формула для определения оптимальной формовочной влажности вибрируемых смесей по данным активности смесей и удельной поверхности песка в смеси. Произведены опыты по установлению оптимальных частот и амплитуд колебаний при вибрировании силикальцитных смесей. Приведены расчёты, определяющие степень уплотнения вибрируемых силикальцитных смесей. Специальными методами детально исследуется влияние различных свойств смесей на их пластичность и виброуплотняемость. Хранение смесей при температуре свыше 40є в течение 20 часов и более ухудшает их уплотняемость, что объясняется изменением коллоидной структуры извести. Добавление воды в смесь при её обработке в дезинтеграторе улучшает уплотняемость смеси и позволяет производить вибрирование при меньшем содержании формовочной влажности. Дано теоретическое обоснование этого явления. Рассматривается влияние пластификаторов, улучшающих уплотняемость смеси. Приведено описание опытов вибрирования с пригрузом и вибропрессования. Этими методами достигается б'ольшее уплотнение смеси, чем вибрированием со свободной поверхностью. Приведены положительные результаты единичных опытов формования силикальцитных смесей центрифугированием. На многих силикальцитных заводах производится массовый выпуск индустриальных силикальцитных деталей, формуемых литьём. При этом способе формования смесь содержит большое количество воды, остающейся свободной при запаривании и вызывающей при испарении образование в изделиях значительного количества больших пор. Такие поры во время эксплуатации легко заполняются водой и она при замерзании разрушает изделие. Поэтому морозостойкость литых изделий низкая и они могут быть использованы только во внутренних конструкциях зданий. Дана эмпирическая формула для определения необходимого количества воды при формовании литьём в зависимости от активности смеси и удельной поверхности песка. При приготовлении смесей для формования литьём, воду целесообразно вводить при дезинтегрировании. Произведены опыты изготовления силикальцит-бетонов. Заполнителями могут служить гравий, щебень, керамзит, различные шлаки и т. п., вяжущим в этом случае являются силикальцитные смеси. Массовое производство сборных конструкций зданий из силикальцитбетона на базе шлаков освоено на Лодейнопольском заводе.

В конце главы рассматриваются проблемы применения негашеной извести в силикальцитных смесях. Результаты опытов показывают, что силикальцитные смеси, приготовленные на гашеной извести, дают значительно б'ольшую прочность изделий, чем смеси, обработанные в дезинтеграторе из негашеной извести и песка. Это объясняется тем, что ни в одном помольном агрегате, а также и при совместной обработке песка и извести в дезинтеграторе, не достигается такой высокой тонины извести, которая получается при её гашении. Поэтому и гомогенность смеси, приготовленной из негашеной извести и песка, ниже, чем из гашеной извести и песка. Это относится и к изготовлению ячеистых изделий. Смесь из негашеной извести, при вибрировании, вследствие меньшей дисперсности извести требует меньшей формовочной влажности и уплотняется до б'ольшего объёмного веса. Количество твёрдого вещества в отформованном изделии увеличивается также в результате связывания воды при гашении извести. Поэтому при формовании смесей, обработанных на одинаковых агрегатах, смеси, приготовленные с применением негашеной извести, приобретают б'ольшую плотность, чем смеси с гашеной известью. Это уменьшает разницу в прочности изделий, и в некоторых случаях прочность изделий, изготовленных из смесей с негашеной известью, может оказаться даже выше.

Глава VII. Изготовление пено- и газосиликальцитных изделий

В начале главы сделан краткий обзор лёгких искусственных строительных материалов, пено- и газобетонных и пено- и газоизвестково-песчаных изделий. Изложен принцип образования пены и приведена характеристика различных пенообразователей. Детально рассматриваются теоретические основы изготовления крупноразмерных силикальцитных деталей. Приведённый анализ и расчёт показывают, что образцы с равным объёмным весом и равной плотностью вещества между порами, в зависимости от формы и размеров пор, могут иметь различную прочность. Чем прочнее и плотнее каркас между порами, тем выше прочность изделия. При высокой влажности смеси вещество между порами после испарения свободной воды становится рыхлым и непрочным. Поэтому изготовление пеноизделий следует стремиться производить из смесей с возможно меньшим содержанием воды. Но замешивание пены в жёсткие смеси и её равномерное распределение в растворе затруднено. Чем меньше объёмный вес изделия, тем тоньше должны быть стенки каркаса между порами. Чтобы в тонких стенках образовывалась прочная структура вещества, смесь должна быть высокой дисперсности и активности.

Чтобы ячеистые изделия могли выдерживать запаривание при экономичных режимах без разрушений и принимать на себя нормальную паровую нагрузку без образования в них трещин от высыхания, изделия до запаривания должны загустевать. Пеносиликальцитные смеси хорошо загустевают при добавлении в них негашеной извести. Детально анализируется необходимое количество этой добавки для загустевания смеси и технологические свойства, которые при этом должна иметь негашеная известь. Известь, применяемая для загустевания смеси, должна быть среднегасящейся и не должна содержать в себе частиц, незагасившихся до запаривания. Разработаны и приведены методы определения степени загустевания смеси. Детально рассматривается содержание загасившихся частиц в молотой негашеной извести, их действие и возможность определения их количества. Дан простой способ определения количества загасившихся в извести частиц.

Своеобразным индустриальным материалом наружных стен, получившим широкое распространение, являются пеносиликальцитные блоки с фактурным слоем. Приведены основные принципы их изготовления.

Дан обзор теоретических основ технологии производства газосиликальцита, которая сравнительно несложна и позволяет изготовлять изделия с однородной прочной структурой. Приведены дальнейшие перспективы упрощения технологии и повышения качества изделий. Во время работы над диссертацией возможность замешивания алюминиевой пудры в смесь, при её обработке в дезинтеграторе, была теоретической проблемой, сейчас же на Джизакском силикальцитном заводе в Узбекистане эта проблема практически реализована.

Глава VIII. Физико-технические свойства силикальцита

В этой главе анализируются все физико-технические свойства силикальцитных изделий и приведён обзор результатов испытаний, полученных в лабораторных и производственных условиях. Достигнута прочность образцов на сжатие до 2500 кг/см² при объёмном весе всего лишь 1,9 г/см³. Судя по данным отечественной и зарубежной литературы, из ячеистого силикальцита можно изготовлять изделия с б'ольшей прочностью, чем из других изготовлявшихся до сих пор искусственных ячеистых материалов тех же объёмных весов. Благодаря высокой гомогенности структуры силикальцита, зависимость показателей его прочности от формы и величины образца значительно меньше, чем например, у бетона. Прочность на растяжение плотного силикальцита составляет 15 - 20% от прочности на сжатие. С ростом дисперсности и активности смеси растёт и прочность изделий, повышаются отношения сопротивления на растяжение к прочности на сжатие и сопротивления растяжения при изгибе к прочности на сжатие. У бетона, как известно, эти отношения прочностей уменьшаются. Плотно прессованные силикальцитные плиты обладают б'ольшей прочностью на удар, чем керамические. Прочность плотного силикальцита, насыщенного водой, примерно на 10% ниже прочности силикальцита в сухом состоянии. Приведены данные по теплопроводности силикальцита. Как и у других искусственных материалов, теплопроводность силикальцита зависит от плотности изделий; между теплопроводностью силикальцита и других подобных материалов больших расхождений не имеется. Силикальцит является гидрофильным материалом, его водопоглощение относительно высокое. Но водопроницаемость плотного силикальцита значительно ниже, чем у бетона того же объёмного веса. Приведены материалы исследований водопроницаемости силикальцита, а также данные по адсорбции и перемещении влаги в пеносиликальците. Опыты показывают, что силикальцит обладает сравнительно высокой водостойкостью. Изменение линейных размеров силикальцитных изделий при изменении их влажности небольшие - у плотного силикальцита они составляют 0,15 до 0,80 мм/м. Плотный силикальцит обладает сравнительно высокой коррозионостойкостью. Противокоррозийная устойчивость силикальцита изучалась в Таллиннском политехническом институте, результаты исследований кратко изложены в диссертации. Подробно изучалась морозостойкость силикальцита. Морозостойкость плотного силикальцита высокая: доходит до 200 циклов; хорошая морозостойкость и пеносиликальцита: она составляет 15 - 50 циклов. Морозостойкость литого силикальцита, вследствие наличия крупных открытых пор, небольшая. Сцепляемость арматуры с силикальцитом примерно та же, что и у бетона. Арматура в силикальците при запаривании корродирует в небольшой мере, а в дальнейшем образование коррозии зависит от плотности изделия и условий эксплуатации. Коррозия стали в пеносиликальците не выше, чем в пенобетоне равного объёмного веса, находящемся в равных условиях эксплуатации. Огнестойкость материала удовлетворяет обычным требованиям, предъявляемым в строительстве. Модуль упругости силикальцита приближённо можно определить по следующей эмпирической формуле:

Где г - объёмный вес сухого вещества изделия, г/см³;

R_Ж - прочность на сжатие образцов (куба), высушенного до постоянного веса при температуре 105є.

Ползучесть силикальцита в начальный период выше, примерно, через шесть месяцев становится равной, а в дальнейшем меньшей, чем у бетона. Сопротивление истиранию силикальцитных плиток, примерно, равняется истиранию бетонных и керамических. Здания из силикальцита долговечны.

Сделан обзор опытов по изготовлению цветного силикальцита, пропитки изделий битумом, гидрофобизации поверхности изделий, импрегнирования и покрытия различными глазурями, а также повышения сцепляемости и коррозионостойкости арматуры при помощи различных защитных покрытий.

Глава IX. Дезинтегратор

До 1949 года не было опубликовано научных трудов, детально рассматривающих принципы работы дезинтегратора, зависимость помола и потребности энергии от технологических и конструктивных параметров установки. В опубликованной автором в 1952 году работе приводится ряд эмпирических формул расчёта различных параметров дезинтегратора. В дальнейшем автор упростил эти формулы, уточнил и дополнил их (например, формулы для определения максимальной производительности дезинтегратора и вычислений расхода энергии). На рис. 5 и 6 показаны детали корзин дезинтегратора и схема движения песчинки между первым и вторым кругами пальцев. Расчёт производительности дезинтегратора следует производить по формуле:

гдеV - производительность дезинтегратора, м³/час;

n - число оборотов внутренней корзины в минуту;

k - число пальцев внутреннего (наименьшего) круга пальцев;

a - расстояние между пальцами, см

b - длина пальцев в свету, см

Через дезинтегратор, предназначенный для приготовления силикальцитных смесей, ни одно зерно песка не должно проскочить, не получив известное число ударов, определяемое в зависимости от числа рядов пальцев. Расстояние между пальцами P₁P'_2m такого дезинтегратора вычисляется по формуле

Где - максимальное расстояние между центрами двух соседних пальцев круга m, см;

- радиус круга пальцев m, см;

- радиус круга пальцев m - 1, см;

- радиус пальцев, одинаково принятый для всех кругов, см,

- число об/мин круга пальцев m,

- число об/мин круга пальцев m - 1,

- средний диаметр зерна песка, см

Так как по сравнению с другими размерами в формуле, с небольшое, то при вычислениях оно может быть опущено.

Рис. 5. Детали корзины дезинтегратора: а) два соседних пальца круга, б) круг пальцев корзины дезинтегратора

Рис. 6. Схема движения песчинки между первым и вторым кругами пальцев дезинтегратора

Для расчёта энергопотребности дезинтегратора выведена следующая формула:

Где E - энергопотребность дезинтегратора в кВтч на тонну обрабатываемого материала,

- сумма, квадратов произведений среднего диаметра кругов пальцев и числа оборотов, вычисленная по специальной формуле,