Виробництво силікатних будівельних матеріалів базується на гідротермальному синтезі гідросилікатів кальцію, який здійснюється в середовищі насиченої водяної пари тиском 0,8-1,3 МПа та температурою 175-200°С. Використовують для цього автоклави.
Силікатні вироби- це безцементні матеріали приготовані з сировинної суміші, що містять вапно, кварцовий пісокі воду, що у процесі автоклавної обробки утворює силікат. Ca(OH)2+nSiO2*(m-1)H2O = CaO*nSiO2*mH20. В умовах автоклавної обробки можна отримати різні різноосновні силікати, залежно від складу сировинної суміші.
Автоклав являє собою горизонтально розташований порожнистий циліндр з кришками, що герметично закриваються з торців (L=21-30cm, d=2,6-3,6cm).Вони обладнані запобіжним клапаномщо дозволяє регулювати тиск. У нижній частині укладено рейки та пересуваються вагонетки з виробами. Для зниження тепловтрат корпус покривають теплоізоляцією. Після завантаження виробів кришки закриваються і під тиском піддається пара. Висока температура та наявність у виробах води створює сприятливі умовидля протикання хімічних реакційміж Ca(OH)2 та кремнеземистою складовою SiO2. Міцність автоклавних матів. формується в процесах структуроутворення при формуванні гідросилікатів кальцію та деструкція пов'язана з високими напругами в результаті автоклавної обробки. Для того щоб знизити деструктивні процеси, автоклавну обробку проводять при слід. режимах: -Поступовий підйом температури 1,5-2ч. -Ізотермічна витримка 4-8ч. -Зниження температури і тиску 2-4ч.
Силікатна цегла. Склад, св-ва, застосування.
Силікатну цеглу виготовляють із твердої суміші кварцового піску 92-94%, вапна 6-8% (у перерахунку на активний СаО) і води до 9%. Шляхом пресування під тиском 15-20Мпа та подальшого твердіння в автоклаві. Колір: світло-сірий, варіюється. Випускають цеглу одинарну 250х120х65, модульну модульну 250х120х88 виготовляють з порожнечами. Марки 100, 150, 200, 250. Теплопровідність 0,7-0,75 Вт/(м°С). Водопоглинання лицьового бокуне повинно бути більше ніж 14%. Застосовується для будівництва несучих і не несучих стін, реконструкція будівель і т.д. Не рекомендується застосовувати для цокольних будівель та при високих температурах.
Силікатний бетон. Види, св-ва, сфери застосування.
Види: -важкі (як заповнювач: пісок, щебінь і піщано-гравійна суміш), -легкі (заповнювач керамзит), -комірчасті
Як в'яжучий застосовують вапняно-кремнеземистий компонент до складу якого входить повітряне вапно і тонко мелений пісок. Міцність залежить від активності вапна у співвідношенні CaO/SiO2, тонкості подрібнення піску та параметром автоклавної обробки. Оптималіними вважаються такі параметри та характеристики бетонної сумішіпри яких весь СаО зв'язується з низькоосновним силікатом кальцієм. Важкий силікатний бетонщільність 1700 кг/м3, міцність 15-80Мпа застосовують для виготовлення збірних бетонних та залізобетонних конструкцій, зокрема попередньо напружених.
Азбестоцемент. Сировина та св-ва. Види азбестоцементних виробів.
Азбестоцемент - штучний композиційний будівельний матеріал, що отримується в результаті затвердіння суміші: цементу, азбесту (10-20% від маси цементу), води. Такий мат. має високою міцністю, Вогнестійкість, довговічністю та ін. Сировинні мат.: П.ц. в'яжучого, марок 400/500, піщанистий п.ц. у випадку автоклавного твердіння, білий та кольоровий у разі виготовлення декоративних виробів. За мінералогічним складом п.ц. має бути олітовий C3S>52%, C3A<8% , тонкость помола 2900-3200см2/г.
Азбест – природний тонковолокнистий матеріал, що складається з водних або безводних силікатів. 95%-хризотил азбест 3MgO*2SiO2*2H2O застосовуються для виробництва. Діаметр волокна близько 1 мікрона, але при розпушуванні волокна розщеплюються до d=0,02мм. Хризотил азбест має високу міцність при розтягуванні до 3000МПа, при розпушуванні частина волокон руйнується та міцність 600-800МПа. Введення гнучких волокон азбесту як армуючий компонент дозволяють у 3-5 разів збільшити міцність при розтягуванні такої системи. Крім того він має адсорбційну здатність, він зв'язує Са(ОН)2 та інші продукти гідротації. Товарний азбест випускають 8 сортів ло 0 до 7 та 42 марок. Чим менша довжина волокна, тим вищий сорт азбесту.
Покрівельні. До них відносяться хвилясті листирізного профілю, великорозмірні плоскі, екструзійні листи, плоскі черепичні листи. Хвилясті листи 90% виробництва покрівельних виробів. Листові вироби у загальному балансі листових виробів 30-40%. Хвилясті листи випускають: - прості, - уніфіковані, - середні, - високого профілю. Розменри та св-ва листів залежно від типів 1200-2300мм, крок хвилі 115-350мм, межа міцності при згинанні 16-24МПа, маса від 9-98кг. Нині переважно виробляють хвилясті листи довжиною 1750мм, висота хвилі 45мм, довжина хвилі 150мм, товщина листа 6 мм. Великорозмірні плоскі листи випускаються розмірами 2000-3000мм, товщина 4-12мм. Панелі екструзійні застосовуються для пристрою горищних перекриттівпід рулонну покрівлю для підвісних стель. Плитки покрівельні азбестоцементні плоскіпризначені для малоповерхових сільських будівель. Найбільш поширені 400х400 зі зрізаними кутами. Зрізані кути дозволяють отримати щільне покриття за мінімальної витрати плиток. При згинанні 24МПа, морозостійкість 50 циклів.
Стінові вироби. Хвилясті листитак званого середньоєвропейського профілю довжиною 2,5м і співвідношенням 51/177, використовуються як заповнення між конструкціями, що захищають, в неопалюваних будинках . Плоскі листидовжина 2-3м, товщина 4-12мм, ширина 1,5м. Як тришарові стінові панелі та виготовлення конструкцій перегородок.
Декоративні вироби Можуть бути офактуреними, або забарвленими в процесі формування та у затверділому вигляді. До 1 групи відносяться листові вироби з рельєфною поверхнею, пофарбованої по всій товщині, або пофарбованим поверхневим шаром. 2 група – листи пофарбовані складом мінеральних в'яжучих. 3 група – з плівковим покриттям. 4 група – хімічна фарба.
Погонажні.Швелери, підвіконні плити, сливи, елементи парапетів. Їх виготовляють методом екструзії.
Труби. Бувають 1. Напірні для водопроводів з робочим тиском 0,6-0,8 МПа, L=3-6м, d умовного проходу 100-500мм. 2.Безнапірні, для нафти-газопроводів, дренажу, сміттєпроводів, прокладання кабелів, для влаштування димових шахт.
Спеціальні. Вентиляційні короби, для влаштування вентиляції та кондиціювання повітря в будинках. Напівциліндри для покриття теплоізоляційних шарів на трубопроводах, великогабаритні листи двоякої кривизни для літніх будиночків.
Гіпсові та гіпсобетонні вироби.
Вироби, одержувані з урахуванням гіпсового в'яжучого речовини, поділяють на гіпсові і гіпсобетонні. Гіпсові вироби виготовляють з гіпсового тіста, іноді з мінеральними або органічними добавками для поліпшення технічних властивостей готової продукції, гіпсобетонні - із суміші із застосуванням дрібнозернистих та великих пористих заповнювачів: мінеральних - шлаку, черепашника, туфового та пемзового заповнювача та інших і органічних - деревної вовни, очерету і т.п.
Гіпсові та гіпсобетонні вироби можуть бути суцільні та порожнисті (обсяг порожнеч більше 15%), армовані та неармовані. За призначенням їх ділять на панелі та плити перегородкові; листи обшивальні (гіпсова суха штукатурка); каміння стінове; вироби перекриттів; теплоізоляційні матеріали; архітектурно-декоративні деталі
Основними позитивними властивостями гіпсових виробів є:
Швидке твердіння, що скорочує технологічний процес та знижує вартість;
Досить висока міцність;
Низька теплопровідність та висока звукоізоляція;
Вироби легко піддаються механічній обробці (розпилюванню, свердлінню) та легко забарвлюються у різні кольори та відтінки;
Вартість їх низька.
Недолік: незначну водостійкість, тому їх можна застосовувати лише у сухих приміщеннях.
Силікатні матеріалита вироби автоклавного твердіння являють собою штучні будівельні конгломерати на основі вапняно-кремнеземистого (силікатного) каменю, що синтезується в процесі автоклавної обробки під дією пари при високій температуріта підвищеному тиску. Одним з основних компонентів сировинної суміші, з якої формуються вироби, служить вапно, яке має велику хімічну активність до кремнезему при термовлажностной обробці. Саме тому другим основним компонентом сировинної суміші є кварцовий пісок або інші мінеральні речовини, що містять кремнезем, наприклад шлаки, золи ТЕЦ та ін Щоб хімічна взаємодія проходила досить інтенсивно, кремнеземистий компонент піддають тонкому подрібненню. Чим тоншим буде подрібнений пісок, тим вище має бути відносний вміст вапна в суміші. В якості інших компонентів можуть бути введені заповнювачі у вигляді немолотого кварцового піску, шлаку, керамзиту, спученого перліту і т. п. Неодмінним компонентом у всіх сумішах виступає вода.
До автоклавних силікатних виробів відносять силікатну цеглу, великі силікатні блоки, плити з важкого силікатного бетону, панелі перекриттів і стінові, колони, балки та ін. Легкі заповнювачі дозволяють знизити масу стінових панелей та інших елементів. Силікатні вироби випускають повнотілими або полегшеними з наскрізними або напівзамкненими порожнинами. Особливого значення мають силікатні пористі бетони, заповнені рівномірно розподіленими повітряними осередками, або бульбашками. Вони можуть мати конструктивне та теплоізоляційне призначення, що обумовлює форму та розміри виробів, їх якісні показники.
Вироби набувають властивостей, необхідних для будівельних матеріалів, після автоклавної обробки, у процесі якої утворюється новий вапняно-кремнеземистий цемент з характерними для нього новоутвореннями гідросилікатів кальцію та магнію, а також безводних силікатів.
Можливість утворення в автоклаві каменеподібного виробу було встановлено наприкінці ХІХ ст., але масове виробництво силікатних виробів, деталей та конструкцій, особливо типу бетонів, було вперше організовано нашій країні. Технологія їх виготовлення механізована та значною мірою автоматизована, що забезпечує отримання більш дешевої продукції порівняно з цементними матеріалами та виробами. Ефективні дослідження у цьому напрямі було виконано П.І. Боженовим, А.В. Волженським, П.П. Буднікова, Ю.М. Буттом та ін. Було показано, що при автоклавній обробці утворюються найбільш стійкі низькоосновні гідросилікати із співвідношенням Ca0:Si02 в межах 0,8-1,2, хоча на проміжних стадіях затвердіння можливі і більш високоосновні хімічні сполуки. П.І. Боженов, відзначаючи «технічний синтез» цементуючої зв'язки в автоклавному конгломераті, що складається із суміші гідросилікатів, вважає, що хімічна сировина має відповідати певним вимогам. Воно має бути високодисперсним з питомою поверхнею порошку в межах 2000-4000 см 2 /г, наскільки можна аморфним, склоподібним. Хімічно активна сировина забезпечує не тільки утворення цементуючої зв'язки в автоклавному конгломераті, але і ряд технологічних властивостей сировинної суміші (формування виробів, рівність їх поверхні, транспортабельність та ін.). Але не тільки хімічні та фізико-хімічні процеси впливають на формування структури та властивостей силікатних матеріалів під час автоклавної обробки. А.В. Волженський першим звернув увагу на зміну тепло- вологих умов при автоклавній обробці та їх вплив на якість виробів. У зв'язку з цим було прийнято виділити три етапи автоклавної обробки: наповнення автоклава і виробів пором до заданого максимального тиску; спуск пари; вилучення виробів із автоклаву.
Повний цикл автоклавної обробки, за даними П.І. Боженова, складається з п'яти етапів: впуск пари та встановлення температури 100 ° С; подальше підвищення температури середовища та тиску пари до призначеного максимуму; ізотермічна витримка при постійному тиску (чим вищий тиск, тим коротший режим автоклавізації); повільне та поступове наростання швидкості зниження тиску пари до атмосферного, а температури - до 100°С; остаточне остигання виробів в автоклаві або після вивантаження їх із автоклава. Оптимальний режим, тобто найкращі умови за величиною тиску пари, температури та тривалості всіх стадій обробки, обумовлюється видом сировини, хоча з економічних міркувань завжди прагнуть швидкого підйому та повільного спуску тиску.
Формування мікро- та макроструктури силікатного виробу в автоклаві відбувається на різних стадіях обробки. Механізм затвердіння вапняно-піщаного сирцю до каменеподібного стану виявляється у тому, що спочатку утворюється вапняно-кремнеземна цементуюча речовина як продукт хімічної взаємодії основних компонентів у суміші в умовах підвищених тисків і температур. Згідно з однією з теорій (П.П. Буднікова, Ю.М. Бутта та ін), утворення цементуючої речовини відбувається через попереднє розчинення вапна у воді. Оскільки розчинність вапна з підвищенням температури знижується, поступово розчин стає насиченим. Але з підвищенням температури зростає розчинність тонкодисперсного кремнезему. Так, наприклад, з підвищенням температури з 80 до 120 ° С розчинність кремнезему зростає (за даними Кеннеді) майже в 3 рази. Тому при температурі 120-130 ° С вапно і кремнезем, перебуваючи в розчині, взаємодіють з утворенням гідросилікатів гелеподібних кальцію. У міру подальшого підвищення температури новоутворення укрупнюються із виникненням зародків та кристалічної фази, а потім і кристалічних зростків. При надлишку вапна виникають порівняно великокристалічні двоосновні гідросилікати кальцію типу C2SH(A) і C2SH2, а після повного зв'язування вапна та в процесі перекристалізації виникають більш стійкі мікрокристалічні низькоосновні гідросилікати кальцію типу CSH(B) та C5S6H5 (тоберморит). Кристалізація відбувається навколо зерен кварцу та в міжзерновому просторі; супроводжується зрощення кристалічних новоутворень в каркас з подальшим його зміцненням і обростанням.
Згідно з іншою теорією, утворення мікроструктури в'яжучого відбувається не через розчинення вапна і кремнезему, а в твердій фазі під впливом процесу самодифузії молекул в умовах водного середовища та підвищеної температури. Є й третя теорія (А.В. Саталкин, П.Г. Комохов та інших.), допускає утворення мікроструктури в'яжучого внаслідок реакцій у рідкої та твердої фазах.
Велику користь у формуванні структури та властивостей силікатного каменю та матеріалів надають додаткові речовини (добавки), що вводяться в суміші, що виконують функції прискорювачів процесів утворення гідросилікатів кальцію або магнію, кристалізації новоутворень, модифікаторів властивостей і структури. Загалом у складі силікатного каменю переважають низькоосновні гідросилікати кальцію, що мають тонкоігольчасту або лускату мікрокристалічну будову CSH(B) і тоберморит CsSeHs. У високовапняних сумішах у результаті синтезу утворюється гіллебрандит 2СаО Si0 2 Н2О (тобто C 2 SH).
Оптимальна структура силікатного матеріалу формується при певній кількості вапняно-кремнеземистого цементу та мінімальному співвідношенні його фазових складових.
Мал. 9.28. Залежність міцності силікатного каменю від співвідношення мас вапняного тіста (Іг) та меленого піску (П м), а також від складу суміші:
1 - 20.80; 2 - 40.60; 3 - 60.40; 4 – 80.20. У чисельнику кількість вапна, у знаменнику - кількість меленого піску (помелу), взятих по масі
Мал. 9.29.
У свіжовиготовленому конгломераті дисперсійним середовищем (с) служить вапняне тісто (І т), а як тверда дисперсна фаза (ф) виступає мелений кремнеземистий (піщаний) компонент (П м). Активність (міцність) вапняно-кремнеземистого в'яжучого речовини оптимальної структури після автоклавної обробки, як і інші властивості силікатного матеріалу, залежить від величини співвідношення І т: П м (за масою). Результати експериментальних досліджень показали, що межі міцності при стисканні, на розтяг при вигині, середня щільність та інші показники властивостей силікатного каменю набувають екстремальних значень при деякому мінімальному співвідношенні с7ф = І^/П м (рис. 9.28). У повній відповідності до формули (3.4) міцність силікатного конгломерату R c= /Г/х, де R*- міцність автоклавного силікатного каменю оптимальної структури; х = Іт/Пм: І7Пм =
1 - 80:20; 2 - 60:40; 3 - 40:60; 4 - 30:70; 5 - 20:80; 6 – 17:83. Склади виготовлялися: 1,2, 3 - із застосуванням керамдору; 4 , 5, 6 - із застосуванням гранітного щебеню. Криві оптимальних структур 1,11 і III відносяться до бетону відповідно до застосування гранітного щебеню, керамдору і тільки місцевого кар'єрного піску.
6/5* - відношення усереднених товщин плівок вапняного тесту відповідно у в'яжучому речовині конгломерату і в'яжучому речовині оптимальної структури; п- Показник ступеня, залежить від якості вихідних матеріалів.
Виконані дослідження силікатного каменю та силікатного конгломерату на прикладах бетонів дрібно- та крупнозернистих (рис. 9.29) показали, що при оптимальних структурах їх властивості повністю підпорядковуються загальним закономірностям ІБК.
Крім кремнеземистого сировинного матеріалу, можна використовувати у виробництві автоклавних виробів поширені малокварцові види сировини - польовошпатові, глинисті, карбонатні піски, а також шлаки та інші побічні продукти промисловості. Мінерали малокварцової сировини, розчинившись в умовах автоклавування, стають активними компонентами, що не поступаються розчинністю кварцу. Їхня активність залежить від розмірів радіусів аніонів і катіонів, що входять до їх складу. В автоклаві формується нове в'яжуче (безпалюче солешлакове в'яжуче), за властивостями переважає вапняно-кремнеземисте автоклавне твердіння. Воно складається з низькоосновних слабозакристалізованих гідросилікатів кальцію, а в присутності іонів алюмінію - з високоосновних гідросилікатів кальцію.
Силікатні вироби є штучним кам'яний матеріал, виготовлений із суміші вапна, піску та води, відформований шляхом пресування під великим тиском і пройшов автоклавну обробку.
У будівництві широкого поширення набули силікатна цегла; силікатний щільний бетон та вироби з нього; пористі силікатні бетони та вироби; силікатний бетон із пористими заповнювачами.
Силікатну цеглу пресують із вапняно-піщаної суміші наступного складу (%): чистий кварцовий пісок 92-94; повітряне вапно 6-8 та вода 7-8. Підготовлену у змішувачах вапняно-піщану масу формують на пресах під тиском 15-20 МПа і запарюють у автоклавах при тиску насиченої пари 0,8 МПа та температурі приблизно 175 °С.
При запарюванні вапно, пісок і вода вступають у реакцію, в результаті якої утворюється гідросилікат кальцію, що цементує масу і надає їй високої міцності. Тривалість циклу автоклавної обробки 10-14 год, а всього процесу виготовлення силікатної цегли 16-18 год, у той час як процес виготовлення звичайного глиняної цеглитриває 5-6 діб.
Силікатна цегла випускається двох видів: одинарна розміром 250 X 120 X 65 мм і модульна розміром 250 X 120 X 88 мм. Об'ємна маса силікатної цегли 1800-1900 кг/м3, морозостійкість не нижче Мрз 15, водопоглинання 8-16% масою. По міцності при стисканні силікатна цегла ділиться на п'ять марок: 75, 100, '25, 150 і 200. По теплопровідності силікатна цегла незначно відрізняється від звичайної-глиняної і цілком замінює останній при кладці стін будь-яких будівель, крім стін, мале або тих, що піддаються впливу високих температур (печі, димові труби). За кольором силікатна цегла світло-сіра, але може бути і кольоровою, пофарбованою в масі введенням у неї мінеральних пігментів.
Вироби із щільного силікатного бетону. Дрібнозернистий щільний силікатний бетон - безцементний бетон автоклавного твердіння на основі вапняно-кремнеземистих або вапняно-зольних в'яжучих - отримують за наступною технологічною схемою: частина кварцового піску (8-15%) змішується з негашеним вапном (6-10%) і піддається тону кульових млинах, потім подрібнене вапняно-піщане в'яжуче і звичайний пісок (75-85%) зачиняють водою (7-8%), перемішують у бетонозмішувачах і потім суміш надходить на формувальний стенд. Відформовані вироби запарюють в автоклавах при температурі 175-190° і тиску пари 0,8 і 1,2 МПа.
Вироби із щільного силікатного бетону мають об'ємну масу 1800-2200 кг/м3, морозостійкість 25-50 циклів, міцність при стисканні 10-60 МПа.
З щільного силікатного бетону виготовляють великі повнотілі стінові блоки, армовані плити перекриттів, колони, балки, фундаментні та цокольні блоки, конструкції сходів та перегородок.
Силікатні блоки для зовнішніх стін та стін у вологих приміщеннях повинні мати марку не нижче 250.
Вироби із пористого силікатного бетону. За способом утворення пористої структури комірчасті силікатні бетони бувають піносиликатні та газосилікатні.
Основним в'язким для приготування цих бетонів є мелене вапно. Як кремнеземисті компоненти в'яжучого і дрібних заповнювачів використовують мелені піски, вулканічний туф, пемзу, золу-віднесення, трепел, діатоміт, трас, шлаки.
При виготовленні пористих силікатних виробів пластичну вапняно-піщану масу змішують із стійкою піною, прчготовленою з препарату ГК, мильного кореня та ін., або з газоутворювачами - алюмінієвою пудрою, а потім суміш заливають у форми і піддають автоклавній обробці.
Об'ємна маса піносилікатних виробів та газосилікатних виробів 300-1200 кг/м3, міцність при стисканні 1-20 МПа.
За призначенням комірчасті силікатні вироби діляться на теплоізоляційні об'ємною масою до 500 кг/м3 і конструктивно-теплоізоляційні об'ємною масою понад 500 кг/м3.
Теплоізоляційні комірчасті силікати знаходять застосування як утеплювачі, а з конструктивно-теплоізоляційних силікатів виготовляють зовнішні стінові блоки та панелі, а також комплексні плити покриттів будівлі.
Вироби із силікатного бетону на пористих заповнювачах. Як в'яжучий силікатний бетон на пористих заповнювачах використовують тонкомолоті вапняно-кремнеземисті суміші, а великими заповнювачами служать керамзит, пемза, поризовані шлаки та інші пористі легкі природні та штучні матеріали у вигляді гравію та щебеню. Після автоклавної обробки такі бетони набувають міцності при стисканні від 3,5 до 20 МПа при об'ємній масі від 500 до 1800 кг/м3 і з них виготовляють в основному блоки і панелі зовнішніх стін житлових і громадських будівель.
Силікатна цегла застосовується поряд із глиняним для кладки стін та стовпів. Однак не рекомендується застосовувати силікатну цеглу марки нижче 100 для частин конструкцій, що піддаються в експлуатаційних умовах зволоженню та заморожуванню. Кислоти також руйнують силікатну цеглу.
Силікатна цегла не жаростійкий матеріал. При високих температурах вапно, що міститься в цеглі у вигляді гідрату окису кальцію, переходить у оксид кальцію (вапно-кипелку), яке при взаємодії з водою знову починає гаситися, збільшуючись при цьому в обсязі і руйнуючи цеглу. Тому силікатну цеглу не застосовують для кладки печей, труб та інших конструкцій, де можливий тривалий вплив високих температур. Короткочасна дія температур до 350° силікатна цегла витримує без руйнувань.
Силікатні вироби у будівництві знаходять застосування не тільки у вигляді цегли або стінового каміння. Їх з успіхом застосовують також як матеріали для зовнішнього облицювання будівель, великих стінових блоків, плит перекриттів та ін. В даний час розроблені способи отримання силікатних виробів, що володіють дуже високою міцністю при стисканні - до 1 000 кг/см2. Така міцність дозволяє випускати силікатні вироби у вигляді плитки для підлоги, каналізаційних труб, черепиці, плит для покриттів.
Отримання таких міцних силікатних матеріалів досягається добавкою у вапняно-піщаний розчин меленого піску. Мелений пісок, володіючи більшою поверхнею та більшою її активністю, сприяє більш повній взаємодії кремнезему піску з вапном.
Плити для облицювання будівель та великі блоки виготовляються трамбуванням, пресуванням або вібруванням з подальшим пропарюванням в автоклавах.
Силікатні вироби, які призначені сприймати в конструкції згинальні навантаження, випускаються армованими сталлю.
Виробництво силікатних будівельних матеріалів базується на гідротермальному синтезі гідросилікатів кальцію, який здійснюється в реакторі-автоклаві серед насиченої водяної пари тиском 0,8-1,3 МПа і температурою 175-200 °С. Для гідротермального синтезу можна використовувати при належному обґрунтуванні інші параметри автоклавізації, застосовувати обробку не лише парою, а й пароповітряною чи парогазовою сумішшю, водою.
Силікатні автоклавні матеріали - це безцементні матеріали та вироби (силікатні бетони, силікатна цегла, каміння, блоки), приготовані з сировинної суміші, що містить вапно (гашене або мелене негашене), кварцовий пісок і воду, які утворюють у процесі автоклавної обробки гідросилікати кальцію:
Са(ОН)2 + Si02 + mH20 = Ca0Si02/iH20.
В умовах автоклавної обробки можна отримати різні гідросилікати кальцію в залежності від складу вихідної суміші: тоберморит 5Ca0 6Si02 5H20, слабко закристалізовані гідросилікати: (0,8-1,5) Ca0 Si02 H20 - (1,5-2) Ca0 Si02 H20. У високовапняних сумішах синтезується гіллебрандит 2Ca0Si02H20.
Автоклав являє собою горизонтально розташований сталевий циліндр з кришками, що герметично закриваються з торців (рис. 9.3).
Діаметр автоклава - 2,6-3,6 м, довжина - 21- 30 м. Автоклав забезпечений манометром, що показує тиск пари, та Мал. 9.3. Завантаження в автоклав запобіжним кла-
паном, що автоматично відкривається при підвищенні тиску вище граничного. У нижній частині автоклава укладено рейки, якими пересуваються завантажені в автоклав вагонетки з виробами. Автоклав обладнаний пристроями для автоматичного контролю та керування режимом автоклавної обробки. Для зменшення тепловтрат автоклав покритий шаром теплоізоляції.
Після завантаження автоклав закривають і в нього поступово впускають насичену пару. Висока температура за наявності в бетоні води в краплинно-рідкому стані створює сприятливі умови для хімічної взаємодії між гідроксидом кальцію та кремнеземом.
Міцність автоклавних матеріалів формується в результаті взаємодії двох процесів: структуроутворення, обумовленого синтезом гідросилікатів кальцію, та деструкції, обумовленої внутрішніми напругами.
Для зниження внутрішньої напруги автоклавну обробку проводять за певним режимом, що включає поступовий підйом тиску пари протягом 1,5-2 год, ізотермічну витримку виробів в автоклаві при температурі 175-200 °С і тиску 0,8- 1,3 МПа протягом 4 -8 год та зниження тиску пари протягом 2-4 год. Після автоклавної обробки тривалістю 8-14 год отримують силікатні вироби.
Силікатні бетони
Силікатні бетони, як і цементні, можуть бути важкими (заповнювач - пісок та щебінь або пісок та піщано-гравійна суміш), легкими (заповнювачі пористі - керамзит, спучений перліт, аглопорит та ін.) та пористими.
У силікатному бетоні застосовують вапняно-кремнеземисте в'яжуче, до складу якого входять повітряне вапно і тонкомолотий кварцовий пісок (замість піску застосовують золу, мелений доменний шлак). Міцність вапняно-кремнеземистого в'яжучого залежить від активності вапна, співвідношення CaO/SiC>2, тонкості подрібнення піску та параметрів автоклавної обробки (температури та тиску насиченої пари, тривалості автоклавного твердіння). Оптимальним буде таке співвідношення CaO/Si02 і така тонкість помелу піску, при яких вся СаО буде пов'язана у низькоосновні гідросилікати кальцію (рис. 9.4).
Виготовлення бетонних та залізо бетонних виробіввключає приготування вапняківокремнеземистого в'яжучого, приготування та гомогенізацію силікатнобетонної суміші, формування виробів, автоклавну обробку. У процесі автоклавізації між усіма компонентами бетону мають місце хімічні взаємодії.
Заповнювач (особливо кварцовий пісок) бере участь у синтезі новоутворень, змінюючись на глибину до 15 мкм.
Тяжкий силікатний бетон щільністю 1800-2500 кг/м3, з міцністю 15-80 МПа застосовують для виготовлення збірних бетонних та залізобетонних конструкцій, у тому числі попередньо напружених.
Силікатна цегла
Силікатна цегла виготовляється з жорсткої суміші кварцового піску (92-94%), вапна (6-8%, рахуючи на активну СаО) та води (7- 9%) шляхом пресування під тиском (15-20 МПа) та подальшого твердіння в автоклаві .
Колір силікатної цегли світло-сірий, але він може бути будь-якого кольору шляхом введення до складу суміші лужностійких пігментів. Випускають цеглу двох видів: одинарну 250x120x65 мм і модульну 250x120x88 мм. Модульна цегла виготовляють з порожнечами, щоб маса однієї цегли не перевищувала 4,3 кг.
Залежно від межі міцності при стисканні та згинанні силікатна цегла має марки: 100, 125, 150, 200 і 250.
Щільність силікатної цегли (без порожнеч) - близько 1800-
1900 кг/м3, тобто він трохи важчий за звичайну глиняну цеглу, теплопровідність - 0,70-0,75 Вт/(м °С), водопоглинання лицевої силікатної цегли не перевищує 14%, а рядової - 16%. Марки по морозостійкості для лицьової цегли: 25, 35, 50; для рядового – 15.
Силікатна цегла, як і глиняна, застосовують для несучих стін будівель. Не рекомендується застосовувати його для цоколів будівель через недостатню водостійкість. Для кладки труб і печей силікатну цеглу не використовують, так як при високій температурі дегідратується Са(ОН)2, розкладаються СаС03 і гідросилікати кальцію, а зерна кварцового піску при 600 ° С розширюються і викликають розтріскування цегли.
На виробництво силікатної цегли витрачається менше тепла, оскільки не потрібні сушіння та високотемпературний випал, тому він на 30-40% дешевше глиняної цегли.
Схема виробництва силікатної цегли показано на рис. 9.5.
Комову вапно-кипелку, що надходить з вапняної печі, сортують, щоб видалити недопал і перепал, потім дроблять і розмелюють в тонкий порошок. При цьому повітряним сепаратором відокремлюються найтонші частки. Підвищення тонкощі помелу вапна також скорочує її витрату.
Гасити вапно в суміші з піском можна в силосах протягом 8- 9 год (перший спосіб) або, що набагато швидше та інтенсивніше, у гасильних барабанах (другий спосіб). Останній являє собою металевий циліндр, що по кінцях має форму зрізаних конусів, який обертається навколо горизонтальної осі. За допомогою дозуючого апарату пісок дозують за обсягом, а вапно - за вагою, а потім засипають через люк, що герметично закривається, в гасильний барабан. Після завантаження барабан обертають, впускають пару і гасять вапно під тиском 0,3-0,5 МПа. Перед пресуванням вапняно-піщану суміш перемішують у лопатевій мішалці або на бігунах і додатково зволожують (до 7%).
Пресують цеглу на пресах під тиском до 150-200 кг/см2. Застосовувані на заводах преси мають стіл, що періодично обертається, з влаштованими в ньому формами. Пресування проводиться знизу
вгору за допомогою важільного механізму. Спресована цегла - сирець отримує високу щільністьщо сприяє більш повному проходженню реакції між вапном і кварцовим піском. Продуктивність різних типівпресів, що залежить від їхньої конструкції, коливається в межах 2200-3000 цеглин в 1 год.
Відформовану цеглу знімають зі столу преса, обережно укладають на вагонетки та відправляють у автоклави для твердіння.
Міцність силікатної цегли продовжує підвищуватися і після запарювання її в автоклаві. Це тим, що частина вапна, що не вступила в хімічну взаємодію з кремнеземом, реагує з вуглекислотою повітря, тобто відбувається карбонізація: Са(ОН)2 + С02 = СаС03+ Н20.
Міцність, водостійкість та морозостійкість силікатної цегли збільшуються також при її висиханні.
Вапняно-шлакова та вапняно-зольна цегла
Вапняно-шлакова цегла виготовляють із суміші вапна та гранульованого доменного шлаку. Вапна беруть 3-12% за обсягом, шлаку - 88-97%.
При заміні шлаку золою виходить вапняно-зольна цегла. Склад суміші: 20-25% вапна та 80-75% золи. Так само як і шлак, зола є дешевою сировиною, що утворюється у великих кількостях після спалювання палива (кам'яного вугілля, бурого вугіллята ін) у котельнях ТЕЦ, ДРЕС та ін.
У процесі згоряння пилоподібного палива частина вогнищевих залишків осідає в топці (зола-шлак), а найдрібніші частинки золи відносяться в димарі, де затримуються золоуловлювачами, а потім їх транспортують за межі котельні - в золовідвали. Найбільш тонкодисперсні золи називають золами-уносами.
При змішуванні з водою золи не твердніють, проте при добавках вапна або портландцементу вони активізуються, а запарювання суміші в автоклавах дає змогу отримувати вироби достатньої міцності.
При спалюванні деяких горючих сланців (наприклад, середньоволзьких) утворюються золи, що містять окиси кальцію 15% і більше, які мають здатність твердіти без добавок вапна. Цегла з цих зол називають сланце-зол'яною.
Використання шлаків і зол дуже вигідно, тому що при цьому знижується вартість будівельних матеріалів.
Вапняно-шлакова і вапняно-зольна цегла формують на тих же пресах, які застосовують при виробництві силікатної цегли, і запарюють в автоклавах.
Щільність шлакової та зольної цегли - 1400-1600 кг/м3, теплопровідність - 0,5-0,6 Вт/(м °С). За межі міцності при стисканні шлакова і зольна цегла поділяють на три марки: 75, 50 і 25. Морозостійкість вапняно-шлакової цегли така ж, як і силікатної, а вапняно-зольного - нижче.
Вапняно-шлакова та вапняно-зольна цегла застосовують для зведення стін будівель висотою не більше трьох поверхів і для кладки верхніх поверхів багатоповерхових будівель.
Вироби з піносилікату та інших пористих матеріалів
Піносилікат - це штучний кам'яний матеріал комірчастої структури, який виходить в результаті твердіння пластичної вапняно-піщаної суміші, змішаної з технічною піною.
Матеріал, отриманий змішуванням того ж розчину з газоутворювачем (алюмінієвою пудрою, пергідролем та ін), називають газосилікатом.
Для виробництва піносилікату рекомендується застосовувати мелене вапно-кипелку, що містить активний СаО не менше 70%. Чим вище активність вапна і тонше помелу, тим менше її потрібно для приготування піносилікату. Зазвичай вапна беруть 15-20% від ваги сухої суміші. Крім кварцового піску, як заповнювачі можна використовувати доменний гранульований шлак, золу електростанцій, маршаліт, трепел, діатоміт та інші заповнювачі, що містять велика кількістькремнезему.
У процесі виробництва піносилікату вапно і заповнювач піддають спільному або роздільному помелу. При роздільному помелі компонентів вапно та заповнювач подрібнюють у трубних, кульових млинах, а при спільному помелі – у дезінтеграторах. Пісок спочатку подрібнюють у них із гашеним вапном, яким беруть 25-30% від загальної кількостівводиться вапна, а решту вапна додають у вигляді меленого вапна-кипелки.
Подальший етап виробництва піносилікатних виробів полягає у приготуванні комірчастої суміші. Комірчасту суміш готують шляхом змішування вапняно-піщаного розчину зі стійкою піною в пінобетонозмішувачах.
Готову пористу суміш виливають із змішувального барабана пінобетономішалки в бункер, а потім розливають у форми, що відповідають профілю та розмірам майбутнього виробу. Після 6-8 годинної витримки (часткового затвердіння) форми з напівзатверділою сумішшю транспортують автоклави для запарювання.
Піносилікатні вироби виготовляють щільністю від 300 до 1200 кг/м3 та міцністю в межах 0,4-20 МПа.
З теплоізоляційного піносилікату виготовляють термовкладиші, які використовують для утеплення стін; плити, шкаралупи та короби - для огородження теплопроводів та інші теплоізоляційні вироби. Для кладки несучих стін одно-, двоповерхових будівель застосовують дрібні офактурені неармовані блоки щільністю 600-700 кг/м3.
Для захисту блоків від атмосферних впливіву процесі експлуатації зовнішня поверхнявиробів покривається облицювальним шаром з цементно-піщаного розчинутовщиною 2-3 см, який укладається на дно форми перед заливкою пористої суміші.
Конструктивно-теплоізоляційний піно- та газосилікат застосовують тепер також для виготовлення великорозмірних виробів для зовнішніх і внутрішніх стін, покриттів промислових споруд, міжповерхових та горищних перекриттів житлових будівель, перегородок та ін.
Для покриттів промислових будівельвиготовляють армопеноси - лікатні та армогазосилікатні прямокутні плити.
Армопеносилікатні плити в порівнянні із звичайними залізобетонними не потрібно теплоізолювати і в той же час вони досить міцні та довговічні. Укладають їх залізобетонними або металевими прогонами, а зверху покривають гідроізоляційними рулонними матеріалами.
Щільність піносилікату 900-1100 кг/м3, межа міцності його при стисканні 6-10 МПа (гл. X, § 8).
Силікатними матеріаламиназиваються матеріали із сумішей або сплавів силікатів, полісилікатів та алюмосилікатів. Вони представляють широко поширену групу твердофазних матеріалів, тобто речовин, що мають сукупність властивостей, які визначають те чи інше їх практичне застосування(І.В. Тананаєв). Так як головним у цьому визначенні матеріалу є ознака його застосування, то до групи силікатних матеріалів відносять і деякі безсилікатні системи, що застосовуються для тих же цілей, що і власне силікати.
Силікати– це з'єднання різних елементівз кремнеземом (оксидом кремнію), у яких грає роль кислоти. Структурним елементом силікатів є тетраедрична ортогрупа 4 з атомом кремнію Si 4+ в центрі і атомами кисню O 2 в вершинах тетраедра, з ребрами довжиною 2.6 · 10 -10 м (0.26 нм). Тетраедри в силікатах з'єднані через загальні кисневі вершини в кремнієві комплекси різної складностіу вигляді замкнутих кілець, ланцюжків, сіток та шарів. В алюмосилікатах, крім силікатних тетраедрів, містяться тетраедри складу [AlO 4 ] 5- з атомами алюмінію Al 3+ , що утворюють з силікатними тетраедри алюміній-кремній-кисневі комплекси.
До складу складних силікатів крім іона Si 4+ входять: катіони: Na + , K + , Са 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , B 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Al 3+ , Ti 4+ і аніони: Про 2 2-, ВІН-, F-, Cl-, SO 4 2-, а також вода. Остання може перебувати у складі силікатів у вигляді конституційної, що входить у кристалічну решітку у формі ВІН - кристалізаційної Н 2 O і фізичної, абсорбованої силікатом.
Властивості силікатів залежать від їх складу, будови кристалічних ґрат, природи сил, що діють між іонами, і значною мірою визначаються високим значенням енергії зв'язку між атомами кремнію і кисню, яка становить 450–490 кДж/моль. (Для зв'язку С–О енергія становить 314 кДж/моль). Більшість силікатів відрізняються тугоплавкістю та вогнетривкістю, температура плавлення їх коливається від 770 до 2130 о С. Твердість силікатів лежить у межах від 1 до 6-7 од. за шкалою Моосу.
Більшість силікатів малогігроскопічні та стійкі до кислот, що широко використовується в різних областяхтехніки та будівництва.Хімічний складсилікатів прийнято виражати як формул, складених із символів елементів порядку зростання їх валентності, чи з формул їх оксидів у тому порядку. Наприклад, польовий шпат K 2 Al 2 Si 6 O 16 може бути представлений як КАlSi 3 Про 8 або До 2 O·Аl 2 O 3 ·6SiО 2 .
Усі силікати поділяються на природні (мінерали) та синтетичні (силікатні матеріали). Силікати – найпоширеніші хімічні сполуки в корі та мантії 3емлі, становлячи 82 % їхньої маси, а також у місячних породах та метеоритах. Загальна кількістьприродних відомих силікатів перевищує 1500. За походженням вони діляться на кристалізаційні (вивержені) породи та осадові породи. Природні силікативикористовуються як сировина в різних галузях народного господарства:
У технологічних процесах, заснованих на випаленні та плавці (глини, кварцит, польовий шпат та ін);
У процесах гідротермальної обробки (азбест, слюда та ін.);
У будівництві;
У металургійних процесах.
Силікатні матеріали налічують велику кількість різних видів, представляють великомасштабний продукт хімічного виробництва та використовуються у багатьох галузях народного господарства. Сировиною для їхнього виробництва служать природні мінерали (кварцовий пісок, глини, польовий шпат, вапняк), промислові продукти (карбонат натрію, бура, сульфат натрію, оксиди та солі різних металів) та відходи (шлаки, шлами, зола).
На рис. 11.1 наведено класифікацію силікатів.
Мал. 11.1. Класифікація силікатів
За масштабами виробництва силікатні матеріали посідають одне з перших місць. У табл. 11.1. представлені дані про виробництво найважливіших видівсилікатних матеріалів у Російській Федерації.
Таблиця 11.1
Виробництво силікатних матеріалів у Російській Федерації
