Общие принципы получения строительных материалов

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), обеспечивающим получение строительных материалов и изделий, относятся:

основные – подгото­вка сырья; 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 сушки проводят 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 эффективны смесители 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 перемешивании смеси сразу с жидкостью образуются агрегаты 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.).

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 аппарата.

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 систем становится 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 ее частиц. 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 бóльшая 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 является вибрационное 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 заданное уплотнение 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.