Общие принципы получениястроительных материалов

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 23Следующая ⇒

При изготовлении строительных материалов и изделий сырье подвергают комплексу механических, химических, физико-химических, тепловых и других воздействий. В результате реализации и определенной последовательности этих технологических воздействий сырье либо изменяет только форму и размеры частиц вещества, получает большую однородность и очищается от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения состава, внутреннего строения и качественных характеристик.

Каждая разновидность строительных материалов и изделий нуждается в специальной технологии. Последняя выражается своим регламентом, параметрами режимов, минимальным размером затрачиваемой энергии и сырьевых ресурсов, достижением экономически эффективных результатов и высоких показателей качества готовой продукции. При большом разнообразии специфических технологий материалов и изделий они содержат и ряд типичных операций (переделов). Это связано с тем, что в их основе лежат общие физические или физико-химические зависимости, сходные кинематические схемы действия оборудования и машинного парка, близкие методы использования тепловой или иного вида энергии и т.п.

К типичным переделам (операциям), обеспечивающимполучение строительных материалов и изделий, относятся:

основные– подготовкасырья; перемешивание отдозированных сырьевых компонентов; формование получаемой смеси (массы) и уплотнение отформованных изделий; специальная обработка уплотненных изделий до полного их отвердевания; технический контроль качества готовой продукции;

вспомогательные– контроль за кондицией технологического регламента; транспортирование сырья и перемешанной смеси (массы); перемещение готовых изделий; складирование сырья и изготовленной продукции.

В некоторых технологиях могут отсутствовать отдельные операции, или по технологической схеме их продолжительность равна нулю. Ниже излагаются главные принципы и закономерности, лежащие в основе переделов (операций) в технологии и необходимые для придания материалу оптимальной структуры и заданных свойств.

Подготовка сырья. К подготовительным работам относится комплекс операций, сопутствующих практически всем технологиям. Их основное назначение — придать сырью технологическое состояние, удобное и эффективное при прохождении сырья по последовательному циклу переделов с образованием готовой продукции. В зависимости от разновидности сырья и конкретной технологии подготовительные операции заключаются в дроблении, помоле и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционировании, просеве, промывке и других методах очищения поверхности частиц и разделения их на отдельные группы (фракции); увлажнении или обезвоживании(сушке) сырья; обогащении, т.е. повышении однородности сырья по средней плотности, прочности и другим качественным показателям.

Измельчение и помол– наиболее распространенные подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью обеспечить определенное соответствие между размерами частиц смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить технологические операции на стадиях приготовления смеси; повысить плотность и однородность дробленого материала; увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества после помола исходного материала.

После некоторой тонкости помола потенциальная энергия поверхности может возрасти в такой мере, что нередко происходит самопроизвольное (спонтанное) агрегирование (слипание) частиц с уменьшением удельной поверхности и увеличением комковатости и неоднородности исходного продукта. Рациональный предел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле добавочных так называемых поверхностно-активных веществ, способных создавать на поверхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агрегирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола существует опасность потери активности порошкообразного материала в период его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли, влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы его просушить, нагреть до необходимой температуры и даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины).

Процесс сушкипроводят в сушилках различных конструкций и назначают с учетом особенностей исходного сырья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слагающего сырьевой материал, влаги, воздуха и паров воды. При необходимости нагревание материала (сырья) может быть доведено до обжига в печных агрегатах по заранее рассчитанному режиму. Однако обжиг в подготовительный период требуется иногда лишь для снижения излишней пластичности сырья, например глин, при отсутствии поблизости песчаных карьеров.

Подготовленные сырьевые материалы транспортируют к местам временного накопления для последующих операций (дозирование, перемешивание). В емкостях (бункерах, силосах и др.) временного накопления и хранения подготовленных сыпучих материалов возможны заторы при их перемещении с образованием устойчивых сводов. Самопроизвольное прекращение истечения этих материалов приводит к нарушению общего ритма работы завода, дефектности дозирования, снижению однородности и качества смеси. Для борьбы с образованием сводов в толще сыпучего материала используют специальные устройства (сводообрушители).

Дозирование и перемешивание компонентов смеси (приготовление сырьевой смеси). На качество смеси изготавливаемого строительного материала может сильно влиять точность дозирования. Если под влиянием внешних или внутренних причин нарушаются точность дозирования (автоматического отвешивания или объемного отмеривания) или ритмичность перемещения отдозированных компонентов к смесительному аппарату, то в процессе перемешивания возможно снижение качества получаемой смеси (массы) и готового материала (изделия).

Для большинства технологий перемешивание отдозированных материалов является главной операцией, предопределяющей качество смеси (массы) и готовой отформованной продукции. Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей для приготовления сложных многокомпонентных смесей наиболее эффективнысмесители принудительного действия.

С целью улучшения однородности смеси механическое перемешивание, как правило, осуществляется в две стадии: 1) предварительное смешение сухих компонентов; 2) смешение с жидкостью, принятой как обязательный компонент (технологическая связка) многих сырьевых смесей. Это объясняется тем, что при перемешиваниисмесисразу с жидкостью образуютсяагрегаты из частиц смеси под действием сил капиллярного сцепления, а это не дает возможности распределения частиц отдельных компонентов, особенно тонкодисперсных, по всему объему смеси. Перемешивание смеси в один этап становится эффективным при высоком содержании жидкой среды(в состоянии суспензии) и исчезновении сил капиллярного сцепления. При этом исчезают и электрические силы, действующие между частицами в сухих порошках, что обеспечивает высокую однородность получаемых смесей. Однако положительный эффект от такого перемешивания часто сводится на нет последующими высокими энергозатратами на высушивание сырьевой смеси перед обжигом (в технологиях керамики, цемента по мокрому способу и пр.).

а. Под влиянием сложного комплекса физико-химических процессов и химических реакций, протекающих при перемешивании в смесительных аппаратах, сырьевые компоненты теряют (обратимо или необратимо) свои индивидуальные свойства, особенно в поверхностных слоях, т. е. по границам контактирования компонентов и новообразований. К моменту выхода из смесительного аппарата процессы микроструктурообразования в одних системах в основном завершаются, в других – эти процессы в смесителях только начинаются, но не доходят до лавинного развития, а поэтому с большей или меньшей интенсивностью продолжаются на последующих стадиях технологического цикла. При этом увеличение прочности полученного материала нередко связано с эффектом механохимической активации под влиянием дополнительного измельчения частиц при их взаимном столкновении или ударах о лопасти и стенки смесительного аппарат

Свежеприготовленная смесь (масса) обладает определенной технологичностью или удобообрабатываемостью, что выражается в ее реальной способности воспринимать дальнейшие технологические операции по формованию и уплотнению изделий. Смеси с весьма малой вязкостью (часто называемые литыми) практически не требуют уплотнения при формовании изделий или покрытий, что технологически удобно. Для воспроизведения литьевой технологии в смесь вводят соответствующие пластификаторы или суперпластификаторы. Введенные в относительно малых количествах, они способствуют резкому понижению вязкости смеси, облегчая формование изделий. Той же цели можно достичь дополнительным увеличением количества жидкой среды в смеси (технологической связки), однако это обычно приводит к резкому снижению качественных показателей готовых изделий и даже браку (растрескиванию, короблению и др.).

При использовании смесей с повышенной вязкостью важно не допустить при формовании напряжений, способных разрушить сплошность изделия, т.е.определяющим в поведении таких системстановится соотношение между потенциальной энергией взаимодействия и кинетической энергией внешних механических воздействий на смеси, которые реализуются в результате перемещения и сталкивания частиц при перемешивании, уплотнении и т.д.

Уплотнение смеси и формование изделий. Формование изделий сопряжено, как правило, с уплотнением смеси, т.е. с достижением плотной упаковки еечастиц. Уплотнение смеси уменьшает разобщенность частиц, переводя связи из точечных в межфазные по границам контакта. На последующих стадиях технологии (например, при обжиге) сокращается расход тепловой энергии за счет снижения температуры и уменьшения продолжительности выдержки.

Уплотнение формуемых или отформованных изделий является важным этапом образования макроструктуры, поскольку в этот период в среде вяжущего вещества сравнительно устойчиво фиксируются зернистые и другие компоненты заполняющей части композита. Фиксация может происходить как непосредственным примыканием компонентов, в том числе с возможным срастанием (например, кристаллов), так и через прослойки полностью отвердевшего или постепенно отвердевающего вяжущего вещества.

Контакт через прослойки на стадии уплотнения более типичен в технологиях, в которых отвердевание материала происходит в результате химических реакций (гидратаций, спекания и т.д.). Непосредственное контактирование или срастание частиц под влиянием поверхностной энергии, химических связей и других, в том числе комплексных, факторов (например, при прессовании под большим давлением) характерно для контактно-конденсационного механизма твердения.

При малых давлениях полезно в системе присутствие малых количеств жидкой среды как своеобразной смазки. При уплотнении высокопластичных и подвижных смесей макроструктура устанавливается весьма быстро и практически без приложения уплотняющих усилий, под влиянием гравитации (при наливных или литьевых способах производства). При уплотнении малоподвижных и жестких смесей, содержащих, как правило, пониженное количество вяжущего вещества или уменьшенное количество жидкой среды в нем, затрачивается значительно бó льшая работа, чем при уплотнении пластичных, подвижных или литых смесей. Разными приемами приходится принудительно сближать полидисперсные зерна, вытесняя часть вяжущего вещества в межзерновые поры и пустоты или в поры зерен заполнителя. При оптимальной структуре зерна заполнителя в объеме монолита контактируют через тонкие или тончайшие прослойки вяжущего вещества.

Выбор оптимального способа формования и уплотнения зависит от характера исходного сырья и массовости производства, требуемых свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить связность и начальную прочность изделий с последующим упрочнением их на других стадиях обработки.

В технологии обжиговых материалах распространенными являются способы полусухого и пластического, а также горячего прессования с использованием прессов, экструдеров, каландров и других машин.При способе пластического формования (керамического кирпича) уплотнение осуществляется в ленточных прессах. Для достижения необходимой плотности применяют различные способы снижения реологического сопротивления формуемой смеси: введение поверхностно-активных веществ, пластификаторов и суперпластификаторов; предварительный нагрев; вибрационное воздействие; вакуумирование и др. Во многих технологиях формование и уплотнение смеси совмещаются в одну операцию, в результате чего химические и физико-химические процессы, обеспечивающие структурообразование на микро- и макроуровнях, протекают также одновременно. Кроме обычных прессов (механических, гидравлических) в некоторых технологиях используют прессование методом взрыва с образованием сверхвысоких давлений мгновенного действия с изменением кристаллохимического строения вещества.

В технологии бетона самым характерным являетсявибрационное формование с приданием скоростей и ускорений частицам массы и, как следствие, ослаблением сил внутреннего трения, капиллярных и молекулярных связей, а также тиксотропным разрушением первичных структур. При вибрационном прессовании (вибропрессовании) достигается заданноеуплотнение изделий при значительно меньших затратах энергии, чем при статическом прессовании. Кроме того, возрастает качество изделий, отсутствует анизотропия свойств, формуется более равномерная структура. Эффективность виброформования в ряде технологий повышается путем совмещения с вакуумированием.

Обработка отформованных изделий. Большинство строительных композитов гидратационного твердения (бетоны, растворы, мастики и другие материалы), а также обжиговых материалов (в отличие от композитов контактно-конденсационного твердения, для которых структурообразование происходит в основном сразу – в процессе уплотнения и формования изделий) имеют две стадии формирования структуры: первоначальное образование структуры из пластичных многокомпонентных (и многофазных) сырьевых смесей и последующее «укрепление» структуры твердеющего материала в результате сложных физико-химических процессов.

К весьма значительному технологическому переделу, влияющему на структурообразование искусственных каменных материалов, относится специальная обработка отформованных и уплотненных изделий с помощью одного, двух или большего количества внешних воздействий на материал в некотором последовательном или комбинированном порядке. Обработка может быть тепловой, тепловлажностной, химической, электрофизической, автоклавной, вакуумпропиточной, радиационной (нередко совмещаемой с вакуумпропиточной) и др. Основная цель обработки– обеспечить наиболее полное развитие процессов структурообразования, хотя соответствующие процессы могут продолжаться и после произведенной обработки, в том числе в эксплуатационный период работы конструкции.

Эффективность обработки характеризуется постепенным или быстрым упрочнением структуры свежеизготовленных изделий с переходом ее в твердое или твердообразное состояние. Новая фаза в виде химических соединений, возникающих под влиянием хемосорбционных реакций на поверхности твердых частиц или в растворе (расплаве), вначале появляется как скопление микрозародышей; в последующий период проходит кинетическое развитие центров реакции. Продукты химических реакций выделяются в самостоятельную фазу, концентрация которой со временем нарастает.

В обжиговых материалах вяжущей частью служат расплавы как своеобразные разновидности химических растворов, обусловленных определенными внешними факторами. Переход из жидкого в твердое состояние при охлаждении происходит также под влиянием кристаллизации компонентов. При резком охлаждении происходит переход из жидкого состояния в твердое аморфное, стеклообразное, т. е. жидкость становится переохлажденной. Внесение твердой частицы того же вещества или, тем более, кристаллика приводит к незамедлительному процессу кристаллизации переохлажденного расплава с превращением его полностью в кристаллическое состояние. При этом молекулы перестраиваются из хаотического беспорядка в упорядоченное, обуславливаемое кристаллической решеткой, что значительно повышает прочность и стойкость материала.

К сопутствующим процессам структурообразования явлениям относятся усадка, экзотермические и эндотермические эффекты, явления релаксации и ретардации.Усадка– уменьшение в объеме, которое происходит под влиянием сжимающих капиллярных сил, перехода твердых компонентов в жидкое состояние с последующим заполнением пор и пустот жидкой средой, испарения части жидкой среды или ее синерезиса (выпотевания), снижения температуры (охлаждения), в том числе вследствие эндотермического эффекта. Различают усадку воздушную (при сушке) и огневую (при обжиге – в результате спекания). В результате усадки нередко возникают самопроизвольные напряжения в материале и, как следствие, микротрещинообразование с возможным ухудшением физико-механи-ческих свойств строительных изделий. Различными приемами – регулированием режима отвердевания, введением дополнительных компонентов в смесь и др. – удается уменьшить или полностью исключить влияние усадочных напряжений или деформаций, связанных с разуплотнением структуры.

Тепловые эффекты обусловлены химическими реакциями и физическими модификациями. Эндотермические эффекты возникают при разрушениях кристаллической решетки или испарении жидкости, полиморфных превращениях (инверсии) вещества. Экзотермические эффекты и реакции обусловливаются образованием новых фаз, сопровождаются поглощением газовой среды, переходом неустойчивого аморфного состояния в кристаллическое.

Таким образом, комплекс сложных процессов и явлений, возникающих и развивающихся в период технологических переделов до определенного уровня, а затем постепенно угасающих (в обжиговых материалах быстрее, чем в безобжиговых), позволяет получать изделие. Чтобы технологические переделы были эффективными, а качество продукции – более высоким, обосновывают их оптимальные режимы и параметры на всех основных стадиях производства.

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 18 19 202122 23 Следующая ⇒