Содержание к диссертации
Введение
1.Состояние вопроса 9
1.1 Сырьевые материалы для производства современных стеновых изделий 9
1.1.1 Природные сырьевые материалы кремнеземистого состава 9
1.1.2 Техногенное сырье для производства композиционных материалов . 12
1.1.3 Минеральные заполнители для бетонов 14
1.1.4 Добавки, используемые при производстве бетонов и композиционных материалов 18
1.2 Проблемы использования в современном промышленном и гражданском строительстве вяжущих негидратационного твердения. Сравнительные характеристики и перспективы применения 24
1.2.1 Высококонцентрированные вяжущие суспензии (ВКВС). Классификация 24
1.2.2 Сложные (смешанные ВКВС) 30
1.3 Перспективы использования и области применения многослойных композиционных строительных материалов 35
1.3.1 Физико-механические и эксплуатационные свойства современных многослойных композиционных материалов 35
1.3.2 Формовочные системы. Особенности. Основные закономерности процессов формования современных композиционных материалов 38
1.3.3 Безобжиговые упрочненные материалы (УХАКС - материалы). Особенности механизма УХАКС - упрочнения 43
1.4 Выводы 47
2. Методы исследований и экспериментальные установки, используемые в работе 48
2.1 Рентгенофазовый анализ 48
2.2 Электронно-микроскопический анализ 49
2.3 Определение гранулометрии веществ 52
2.4 Изучение реологических характеристик суспензий 54
2.5 Исследование диспергирующих характеристик 56
2.6 Исследования физико-механических характеристик стеновых изделий 57
3. Возможность получения бесцементных материалов с применением технологии ВКВС 60
3.1 Сырьевые материалы 60
3.2 Получение высококонцентрированного вяжущего и изучение его свойств 69
3.3 Подбор оптимального зернового состава заполнителя 76
3.4 Выводы 83
4. Формовочные системы. особенности. основные закономерности процесса формования 88
4.1 Выбор (обоснование) способа формования 88
4.2 Характеристика исходных формовочных систем 85
4.3 Кинетика уплотнения при формовании 89
4.4 Изучение влияния содержания в системе комплексных дефлоккулянтов на уплотнение при формовании 98
4.5 Выводы 107
5. Безобжиговые упрочненные материалы (ухакс-материалы) 108
5.1 Кинетика сушки 108
5.2. Кинетика упрочнения 111
5.3. Выводы 122
6. Физико-механические и эксплуатационные свойства бесцементных строительных материалов на основе вквс и области их применения в современном строительстве 123
6.1 Физико-механические свойства в высушенном и упрочненном состоянии 123
6.2 Микроструктура материалов на основе ВКВС 135
6.3 Сопоставительная оценка и исследование экспериментальных материалов и существующих аналогов 139
6.4 Технология производства бесцементных стеновых изделий 148
6.4 Экономическая эффективность 154
6.5 Выводы 157
Общие выводы 158
Список литературы 160
Приложения
- Сырьевые материалы для производства современных стеновых изделий
- Рентгенофазовый анализ
- Получение высококонцентрированного вяжущего и изучение его свойств
- Выбор (обоснование) способа формования
Введение к работе
В связи с возрастающими требованиями к эксплуатационным свойствам современных строительных материалов, а также истощением природных месторождений высококачественного сырья, важное значение приобретает использование новых нетрадиционных видов минеральных ресурсов и промышленных отходов.
В данной работе решается задача расширения арсенала средств для получения современных строительных материалов путем разработки технологии получения бесцементных строительных изделий на основе кремнеземсодержащего сырья с применением минерального вяжущего негидратационного твердения - высококонцентрированных вяжущих систем (ВКВС). Преимуществом является упрощение и удешевление технологии за счет полного исключения цемента, а также существенное повышение эффективности технологического процесса за счет существенного сокращения сроков изготовления изделий с сохранением и улучшением следующих технико-эксплуатационных характеристик: механической прочности, пористости, плотности, морозостойкости.
Получение ВКВС основано на обнаруженной способности, традиционно считавшихся инертными кремнеземистых и алюмосиликатных материалов (кварциты, кварцевые пески и алюмосиликатные породы) образовывать вяжущие суспензии в результате механо-химической активации в промышленных помольных агрегатах. Отличительный признак ВКВС: наличие в системе частиц нано-уровня (менее 0,1мкм: порядка 1-5%). Последующее твердение ВКВС обусловлено способностью кремнийсодержащих связок к полимеризации. Полимеризация связана с образованием силоксановых связок: = Si — О — Si = и последующим удалением воды.
Изделия, полученные с применением в качестве вяжущего ВКВС, и строительные конструкции из них, обладают повышенной огнестойкостью.
Причиной плохой формуемости ВКВС на основе кварцевого песка, высокой пористости, низкой механической прочности и водостойкости
5 изделий из них, являются присущие их водным дисперсиям дилатантные свойства. Это обусловлено слабой гидрофильностью поверхности кварцевых частиц, что вызывает сухое трение частиц кварца в процессе формования.
Для ликвидации дилатантных свойств ВКВС необходима модификация поверхности твердой фазы, а именно, повышение их гидрофильности, что позволит придать ВКВС тиксотропные свойства.
Модифицируя ВКВС, меняя способ формования, вид заполнителя, его фракционный состав, а так же характер последующей технологической обработки, на небольших промышленных площадях с минимальными капитальными вложениями возможно получение новых видов строительных материалов с улучшенными физико-техническими характеристиками.
Цель и задачи работы. Разработка энергосберегающей и экологически чистой технологии производства бесцементных строительных материалов на основе ВКВС кварцевого песка, позволяющей получить высокоэффективные современные строительные изделия.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: -разработка методологических основ улучшения реотехнологических характеристик ВКВС кремнеземистого состава путем их направленной комплексной модификации;
- разработка модели уплотнения экспериментальных формовочных систем, позволяющих провести их оптимизацию по заданным характеристикам вяжущего и его содержанию в формовочной системе; -разработка технологических принципов производства многослойных строительных изделий с применением ВКВС кремнеземистого состава.
Научная новизна работы. Разработаны технологические принципы производства бесцементных строительных материалов, с применением метода комплексной модификации дилатантных ВКВС.
Установлено, что при модификации ВКВС силикатного состава комплексными дефлоккулянтами, состоящими из органических добавок на основе резорцин-фурфурольных олигомеров (СБ-5) и минеральных добавок (триполифосфат натрия) происходит существенное улучшение
реотехнологических характеристик исходных ВКВС и формовочных систем на их основе.
Установлены особенности процессов уплотнения формованной системы при применении ВКВС, модифицированной комплексным дефлоккулянтом. При этом отмечено, что при комплексной модификации ВКВС глиной и органоминеральной добавкой удельное давление прессования (Руд) снижается в 5-6 раз при равных значениях пористости прессовки.
Выявлены закономерности процесса упрочнения безобжигового строительного материала на основе модифицированной ВКВС посредством химического активирования контактных связей (УХАКС - механизм). Отмечен более высокий уровень реакционной способности исходной матричной системы как на стадии формирования кристаллизационных контактов в системе ВКВС, так и на стадии взаимодействия с зернами заполнителя, что связано прежде всего с комплексной оптимизацией структуры матричной фазы системы.
Практическое значение работы. Разработан новый вид бесцементного строительного материала на основе тонкомолотого кварцевого сырья, применение которого для производства штучных стеновых строительных изделий позволяет значительно снизить ресурсо- и энергоемкость строительной индустрии.
На примере ВКВС кварцевого песка рассмотрена теория комплексной модификации суспензии. Установлено, что механизм комплексной модификации позволяет улучшить реотехнологические качества ВКВС, в связи с этим более чем в 2 раза снизить формовочную влажность систем (с 9 - 8 до 4%).
Получена математическая модель процесса уплотнения экспериментальных формовочных систем, позволяющая провести их оптимизацию по заданным характеристикам вяжущего и его содержанию в формовочной системе.
7 Изучены особенности кинетики упрочнения формовочных систем на модифицированном вяжущем. Выявлен следующий характер закономерности: по сравнению с аналогичными материалами на основе немодифицированной ВКВС, данные системы набирают до 90% прочности в первые 30 - 40 минут. Механическая прочность упрочненного материала на основе модифицированного вяжущего выше аналога на 40 - 45%.
Разработан способ послойного формования, позволяющий создать прочную переходную межслоевую контактную зону уже на стадии изготовления изделия, которая исключает возможность расслоения при формовании, что способствует образованию бездефектной монолитной структуры многослойного изделия.
Результаты исследований положены в основу разработки технологической схемы производства и проекта технологического регламента на выпуск опытной партии многослойных стеновых изделий на ЗАО «Завод нестандартного оборудования».
Подана заявка на патент.
Внедрение результатов исследований. На основании выполненных исследований разработан технологический регламент на «Производство многослойных стеновых изделий».
На ЗАО «Завод нестандартного оборудования» выпущена опытно-промышленная партия стеновых изделий в количестве 1 тыс. штук.
Предприятием отмечена целесообразность внедрения многопрофильной ресурсосберегающей технологии производства многослойных стеновых строительных изделий на основе ВКВС кремнеземсодержащего сырья, предусматривающей полный отказ от цемента, существенно сокращающий технологический цикл, а так же использование техногенного и дешевого местного сырья.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2005); Международной научной конференции «Химия твердого тела и
8 современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006); Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (Белгород, 2006); Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» (Москва, 2006), Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007). На защиту выносятся:
- принципы получения высококачественных материалов на основе
нанотехнологического подхода путем направленного формирования
структуры с использованием в качестве вяжущего компонента
высококонцентрированных вяжущих систем (ВКВС);
-результаты исследования влияния комплексной модифицирующей добавки на реотехнологические свойства ВКВС на основе кремнеземсодержащего сырья;
-математическая модель особенности процесса уплотнения экспериментальных формовочных систем;
- результаты исследований физико-механических и эксплуатационных
характеристик полученных изделий;
- технология производства многослойных стеновых материалов.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные
положения диссертационной работы, изложены в 9 научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, включающего 19 таблиц, 42 рисунка и фотографий, список литературы из 160 наименований, 3 приложения.
Сырьевые материалы для производства современных стеновых изделий
Кремнезем БіОг - самое распространенное вещество в природе. По средним оценкам, в земной коре содержится 58,3% кремнезема, причем в виде самостоятельных пород (кварц, опал, халцедон) приблизительно 12%. По А.Е. Ферсману, в литосфере содержится 26,0% кремния и 43,13% кислорода. А.П. Виноградов оценивает содержание кремния в различных породах земной коры в пределах 24,0 - 32,3%, а кислорода- 42,5-4-52,8% [1].
В природе кремнезем встречается в различных формах: кристаллический кварц (горный хрусталь, жильный кварц, кварцевые пески); скрытокристаллический: халцедон, агат, яшма, кремень; аморфный; горные породы вулканического происхождения (пемзы, перлиты, обси-дианы) [2,3]; горные породы осадочного происхождения (диатомит, опока, трепела) [3].
В последнее время диоксид кремния стали производить искусственно, преимущественно для производства особо чистого кварцевого стекла.
Искусственные материалы, создаваемые на основе кремнеземсодержа-щего стекла (цемент, бетон, огнеупоры, грубая и тонкая керамика, эмали и т.п.), играют огромную роль в жизни человека и по масштабам производства стоят на первом месте по сравнению с другими отраслями промышленности.
Современная наука о кремнеземе насчитывает свыше двухсот лет. При первой попытке классификации элементов А.Л. Лавуазье (1789) отнес его к простым телам. И.Я. Берцелиус и др. ученые в начале прошлого века доказали, что кремнезем представляет собой оксид металла кремния. Однако в течение длительного времени ему приписывали различные формулы в зависимости от атомного веса, принимавшегося для кремния - S12O3 и БЮз (И. Берцелиус), SiO и Si03 (Ж. Дюма, О. Лоран, И. Дэка), Si02 (Л. Гмелин) [3].
Д.И. Менделеев также принимал для него различные формулы (Si20, SiO, БіОз). Окончательно формула кремнезема Si02, была установлена им после уточнения атомного веса кремния в конце 50-х гг. XIX в.
Д.И. Менделеев высказал гипотезу о полимерном строении кремнезема: «...а потому и в безводном кремнеземе... находится не SiC 2 а сложная частица Sin02n, т. е. строение кремнезема есть полимерное, сложное, а не простое, как-то выражает эмпирическая формула» [4].
Гипотеза о полимерном строении кремнезема, наряду с представлениями Д.И. Менделеева о силикатах и стеклах как о неопределенных химических соединениях или растворах, аналогичных сплавам, до настоящего времени сохраняет свое принципиальное значение.
Диоксид кремния (кремнезем) Si02 может быть в бесцветном кристаллическом, аморфном или стеклообразном состоянии [5]. Он существует в нескольких полиморфных модификациях. Кроме кристаллических форм, для диоксида кремния характерны и др. формы существования. Скрытокристаллические формы (халцедоны) по структуре аналогичны кварцу.
Известны аморфные анизотропные и изотропные (опал) образования, тонкодисперсный природный кремнезем (трепел, синтетический коллоидный кремнезем и кремнеземные порошки). Гидратированный аморфный кремнезем, осаждаемый из растворов силиката Na и др., полимеризован до сферических частиц диаметром менее 100 нм, обычно 2 -3 нм. Получен аморфный кремнезем в форме листочков, ленточек и волокон. При высоких температурах из газовой фазы выделяются тонкодисперсные порошки пирогенного безводного кремнезема - аэросил и др. [2].
С геологической точки зрения песком называют осадочную мелкообломочную несцементированную породу, состоящую из зерен каких-либо минералов размером от 0,05 до 2,0 мм.
Кварцевые пески - это обломочная порода, представленная в основном зернами кварца.
Примеси в песках могут присутствовать в виде отдельных зерен инородных минералов, примазок и пленок на зернах кварца, сростков с кварцем, включений в кварцевое зерно и твердых растворов в кварце.
Зерна кварца местами покрыты пленкой оксидов железа. В песках имеются включения зерен полевого шпата и тяжелых минералов, встречаются глинистые прослойки.
Общепринятая классификация песков по размерам зерен и обломков отсутствует. Обычно к песчаным относят зерна размером от 0,05 до 2 мм [6].
По преобладающему размеру зерен пески подразделяются на: - тонкозернистые (0,05 - 0,1) мм; - мелкозернистые (0,1 - 0,25) мм; - среднезернистые (0,25 - 0,5) мм; - крупнозернистые (0,5 -1,0) мм; - грубозернистые (1-2) мм.
Зерна песка по форме делят на округлые, округло-угловатые и угловатые, по степени окатанности - на окатанные, полуокатанные и остроугольные, по характеру поверхности - на зерна с ровной, неровной и шероховатой поверхностью.
На территории Российской Федерации Государственным балансом запасов учтены 62 месторождения кварцевых песков и песчаников, а также два месторождения кварц-каолиновых песков.
Имеются также месторождения, не учтенные Государственным балансом запасов. Как правило, они учтены региональным балансом или находятся в введении крупных многопрофильных производств, напр., нефтяных или газовых концернов, расположенных в районах Крайнего Севера, которые используют песок этих месторождений в качестве неосновного сырья.
На территории РФ кварцевые пески и концентраты производят Ташлинский (Ульяновская обл.), Раменский (Московская обл.) и Неболчинский ГОКи, а также Антоновская обогатительная фабрика (Амурская область).
Пески природные и искусственные (получаемые дроблением горных пород) применяют в строительстве и промышленности строительных материалов; кварцевые пески служат сырьём для производства стекла, в качестве отощителя вводятся в сырьевую массу строительной керамики, используются как материал для изготовления литейных форм. К качеству песка предъявляются требования в отношении величины зёрен, минералогического состава, количества загрязняющих примесей [7].
Морской песок широко используется для бетонного производства, в жилищном и дорожном строительстве, имеет высокую степень очистки и практически свободен от посторонних включений, глинистых примесей, органики, что делает его универсальным строительным материалом.
Рентгенофазовый анализ
Методы электронной микроскопии
1. Просвечивающая микроскопия позволяет наблюдать за отдельными атомами или ионами, прослеживать деформации в кристаллической структуре.
При данном методе пучок света неподвижен а исследователь двигает образец и просматривает область просвечиваемую пучком. Диаметр измерения ангстремом или 10 ангстрем. Необходима очень хорошая подготовка - срезается поверхность ионными пучками.
2. Сканирующие микроскопы имеют больший диапазон увеличения (8 10 кратное увеличение). В данном методе пучок может быть сфокусирован в точку, но в обычном режиме осуществляется сканирование пучком поверхности.
3. Растровые микроскопы. В основу формирования изображения поверхности положен способ телевизионной развертки посредством сканирования первичного пучка электронов по поверхности образца, то есть тонкий луч электронов «оббегает» образец по горизонтальным точкам. При этом изображение появляется на экране.
Источник электронов - электронная пушка, внутри вольфрамовый катод, когда он раскаляется, то между ним и анодом, находящимся ниже, создаётся разность потенциалов (от 100 до 50 тыс. вольт).
Электроны начинают срываться с проволоки и летят к аноду, часть проскакивает и попадает в колонку микроскопа, там стоят катушки, которые фокусируют пучок, дальше пучок выходит в камеру.
Типы излучений:
1. Упругое отражение: просто отскакивают, специальный тип детекторов преображает интенсивность их потока в картинку. По интенсивности излучения мы изучаем поверхность.
Интенсивность зависит от поверхности образца (ровная и гладкая) и плотности образца (средне атомный № или структура).
2. Падающий пучок выбивает ионы из самого образца (вторичные электроны). Интенсивность их потока при прочих равных условиях будет определять отражение. В данном случае мы видим рельеф поверхности.
Разрешающая способность при работе в режиме наблюдения вторичных электронов 3-5 нм (если ближе сливается).
Могут быть дополнительные приставки для определения количественных характеристик исследуемых образцов: 1. Для химического анализа. 2. Для энерго-дисперсного анализа. 3. Для волнового дифракционного анализа. Требования к образцам: 1. Образцы помещаются в камеру микроскопа только через шлюзовую камеру в специальных держателях. Отсюда ограничения по габаритам: максимальная высота не более 15 мм; максимальный диаметр (длина) не более 76 мм; 2. При одновременной загрузке нескольких образцов их верхние срезы должны находиться на одной высоте (± 1 мм); 3. Анализируемая поверхность должна быть горизонтальной. Крепление образцов на вакуумный пластилин не допускается. 4. При необходимости использования волнового спектрометра на столике держателе помимо образцов должны поместиться 2 эталонные шашки диаметром 26 мм; 5. Поверхность должна быть токопроводящей. Для этого на образцы напыляют различные виды токопроводящих материалов: графит, золото, платина и другие. Лаборатория использует только углеродное напыление толщиной от 20 до 40 нм получаемое в графито-стержневом испарителе большого объема в глубоком вакууме.
Напыление одного образца занимает от 40 минут до 3 часов. Напыление образцов производится заблаговременно, один день в неделю.
Съемка микрофотографий производилась с помощью микроскопа РЭМ в Московском государственном университете с увеличением до 400 раз. Количественный анализ микроструктур по плоским РЭМ изображениям производился с помощью пакета прикладных программ «СТИМАН» и (РЭМ)-800 фирмы HITACHI (Япония). Изображение получено в режиме вторичной электронной эмиссии. Для качественного изображения в РЭМ применялась методика термического напыления образцов в вакууме. Напыление проводилось золотом. Толщина напыленной пленки 10 нм, позволяющая оценивать параметры микроструктур по серии разномасштабных изображений, включающих весь диапазон измерения размеров структурных элементов. Программа статистической обработки позволяет строить гистограммы распределения структурных элементов по различным параметрам, благодаря которым можно получать различные зависимости, выделять на графиках отдельные категории пор и оценивать их вклад в общую пористость.
Съемка микрофотографий суспензий проводилась на микроскопе М-200 (аналог ЭМВ-ЮОЛ) методом реплик (отпечатков), получаемых с поверхностей и методом сеточек. Суть метода реплик заключается в том, что на изучаемую поверхность наносится пленка из формвара, коллодия или углерода. На пленке «отпечатывается» рельеф поверхности. Для усиления контраста производят напыление пленки металлом, а затем изучают в электронном микроскопе.
Для электронной микроскопии пользуются тонкими срезами, нуждающимися в опоре. Стекло для этой цели не пригодно, поэтому пользуются металлическими опорными сетками (медными или палладированными). В одних случаях ультратонкие срезы монтируют непосредственно на опорные сетки, а в других - сетки предварительно покрывают пленкой-подложкой, изготовленной из нитроцеллюлозы, формвара или углерода.
Получение высококонцентрированного вяжущего и изучение его свойств
Если ранее были известны способы получения керамобетонов - литье и вибролитье, то с применением пластифицированных ВКВС, появилась возможность разработать для данных керамобетонов новые процессы формования: статическое прессование, набивка и виброформование. Ранее [38, 49, 57] для ряда случаев была отмечена целесообразность сочетания вяжущих на основе ВКВС ряда материалов и глин. Например, с помощью добавок глин можно эффективно регулировать реологические свойства формовочных систем или повышать механические свойства керамобетонов при низкой термообработке [57].
Смешанное вяжущее позволит расширить технологические возможности применения материалов на основе ВКВС.
В производстве безобжиговых кремнеземистых огнеупоров, изготавливаемых с применением различных типов жаростойких вяжущих, в качестве вяжущих применяют глины, фосфаты, жидкое стекло [120]. Для изготовления огнеупоров данного класса известно также [38] применение высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий (ВКВС) на основе кварцевого песка, динаса, а также кварцешамотного состава.
Недостатком известных керамических суспензий является недостаточная их седиментационная устойчивость, неблагоприятные для процесса формования изделий на их основе реологические свойства (сильная дилатансия), пониженная механическая прочность огнеупора после термообработки [121 - 124]. В самое последнее время доказана принципиальная возможность получения жаростойких вяжущих смешанного типа на основе высококонцентрированных кремнеземистых вяжущих суспензий (ВКВС) кварцевого песка с добавкой огнеупорной глины [58].
Ставилась задача корректировки указанных свойств известного керамического вяжущего. Поставленная цель достигается тем, что в ВКВС известного состава (кварцевый песок) вводится добавка высокодисперсной глины, характеризующейся содержанием 40 - 80 % частиц менее 1 мкм.
Учитывая универсальность исследуемых систем, и очевидную возможность применения принципа смешанных ВКВС для получения новых строительных материалов, в настоящей работе ставились и некоторые другие задачи. Так, например, было изучено влияние на свойства ВКВС комплексных модифицирующих добавок.
В качестве исходного материала для получения ВКВС кварцевого состава использовали кварцевый песок Белгородского месторождения, химический и минералогический состав которого приведены в табл. 3, 4. Состав латненской глины приведен в табл. 5.
Суспензии кварцевого песка были получены методом мокрого измельчения в лабораторной шаровой мельнице (V = 100 л) с постадийной загрузкой материала и последующей стабилизацией посредством гравитационного механического перемешивания (прил. 1).
Выбор концентрации системы на первом этапе измельчения осуществлялся с учетом коэффициента упаковки исходного материала и других его характеристик, а также габаритных размеров мельницы. На первой стадии помола обычно вводят всю жидкость, рассчитанную по конечной концентрации суспензии. Продолжительность этой стадии процесса в зависимости от многих факторов колеблется в пределах от 1 до 5 часов, В данном случае продолжительность этой стадии процесса составила 2 часа. Степень дисперсности при этом должна быть такой, чтобы средний размер частиц был, по крайней мере, в 10-20 раз меньше размера вводимого при очередной загрузке материала. Оптимальные результаты, как правило, могут быть получены в том случае, когда на первой стадии помола достигается дисперсность, характеризуемая значительным (до 20 — 50%) содержанием частиц фракции менее 5 мкм. В этом случае суспензия является как бы сжатой, ускоряющей процесс последующего измельчения после введения очередной порции материала.
Выбор (обоснование) способа формования
Настоящая глава диссертационной работы посвящена изучению особенностей процессов формования изделий с использованием в качестве вяжущего модифицированной ВКВС с применением статического прессования в широком интервале значений удельного давления прессования, вибропрессования при незначительных (Руд = 0,3 МПа) давлениях прижима, а также виброформования.
В главе 3 было показано, что введение небольших количеств глины, а так же модифицирующей добавки в ВКВС кварцевого песка позволяет не только регулировать их реологические свойства в требуемом для процессов статического прессования и виброформования направлениях, но и существенно повышать механическую прочность изделий при безобжиговом варианте технологии, либо относительно невысоких температурах термообработки.
До недавнего времени для формования кремнеземистых керамобетонов разрабатывался и исследовался процесс вибропрессования при незначительных (до 0,05 - 0,1 МПа) усилиях пригруза. Между тем в исследованиях по технологии бокситовых керамобетонов [44, 45] показано, что при определенных условиях для формования успешно может применяться и обычное статическое прессование. Важными при этом являются реологические свойства ВКВС, применяемых в качестве связки в массах для прессования.
Для цементно-песчаных бетонов относительно низкая их пористость достигается в результате последующей (после формования) гидратации вяжущего. Для изделий, с применением в качестве вяжущего модифицированной ВКВС, низкая пористость может достигаться высокой концентрацией ВКВС, подбором оптимального состава и параметров процесса виброформования.
В связи с этим поставлена задача изучения вышеуказанных процессов формования изделий. При этом изучены формовочные массы с применением ВКВС кварцевого состава, а также ВКВС, модифицированной органо-минеральной добавкой. Согласно приведенным в главе 3 данным, при комплексной добавке в ВКВС кварцевого состава отмечено существенное улучшение свойств смешанных суспензий и вяжущего на их основе.
Характеристика исходных формовочных систем
Важнейшими особенностями новых бесцементных материалов являются низкая пористость и высокие физико-механические характеристики.
Известно, что пористость бетона ПКб является функцией пористости и объемного соотношения двух фаз бетона - матрицы (вяжущего) и заполнителя и ориентировочно определяется соотношением: Пкб = Cv3 х П3 + CvM х Пм (14) где Cv3, CvM - объемное содержание в структуре бетона заполнителя и матрицы, формирующейся из вяжущей системы (ВКВС);
П3, Пм - пористость заполнителя и матрицы (вяжущего) соответственно. В качестве заполнителя в исследовании применяли полидисперсный кварцевый песок с dmax = 2 мм и кварцитопесчаник с dmax = 5 мм. Учитывая, что заполнитель является плотным, то для получения бесцементного строительного материала требуется, прежде всего, предельно повысить его содержание в бетоне. Как показано в работе [130] значение Cv3 для кремнеземистых керамобетонов, формуемых способом вибропрессования, может достигать до 60 - 70 %. Основная пористость в формуемом бетоне создается жидкой фазой ВКВС, служащей связкой. И поэтому в работе ставилась задача достижения максимальной текучести исходных ВКВС при высокой их объемной концентрации Cv. Это достигалось как выбором оптимального зернового состава, так и предельным разжижением ВКВС за счет регулирования их РН. В зависимости от состава и характеристики смеси значение Cv варьировалось в пределах 0, 50 - 0, 73. Важным показателем ВКВС, определяющим возможность эффективного уплотнения формовочных систем на их основе, является характер их реологического течения. Последний, как это было показано в главе 3, в значительной степени можно регулировать добавками глины и комплексного модификатора.
Экспериментальная часть данной работы планировалась с учетом всестороннего изучения многих аспектов процесса формования. В качестве вяжущего для формования изделий применяли ВКВС кварцевого песка с характеристиками, детально описанными в главе 3.
В качестве пластифицирующей и регулирующей добавки применяли латненскую глину, а также комплексную модифицирующую добавку. Добавка глины вводилась в ВКВС кварцевого песка в виде предварительно полученной суспензии, модифицирующая добавка вводится в виде порошка или раствора, что более детально описано в главе 3.
При сопоставлении реологических характеристик бинарных матричных систем с пластифицирующей и модифицирующей добавками становится очевидным тот факт, что при одинаковой концентрации (Cv = 0,68) система с комплексной модифицирующей добавкой обладает более низкой вязкостью (рис. 15).
Рассмотрим теперь особенности реологических свойств кварцевой ВКВС с добавкой 2,5% латненской глины и комплексной органо-минеральной добавкой после определенного периода старения.
Учитывая, что значительная доля жидкой фазы вяжущей суспензии связывается зернами заполнителя, то фактическая их объемная концентрация существенно превышает исходную (до смешения). Реологические свойства ВКВС с добавкой комплексного модификатора в проанализированном на рис. 16 интервале концентраций изменяются весьма существенно. Если для кривой 1 характерен тиксотропно-дилатантныи характер течения, то для кривых 2,3 -тиксотропный.
