Силикатными материалами и изделиями называются необожженные материалы и изделия на основе минеральных вяжущих - асбестоцементные, гипсовые и гипсобетонные, силикатные (на основе извести) и магнезиальные с заполнителями (кварцевым песком, шлаком, золой, пемзой, опилками и т. д.). Области применения их чрезвычайно обширны - от несущих и ограждающих конструкций до отделки зданий и сооружений.

Силикатные изделия получают в результате формования и последующей автоклавной обработки смеси извести или других вяжущих веществ на ее основе, тонкодисперсных кремнеземистых добавок, песка и воды.

Силикатный кирпич - искусственный каменный материал, изготовляемый из смеси кварцевого песка и извести путем прессования под большим давлением и последующего твердения в автоклаве. Исходными материалами являются воздушная известь - 6-8% в расчете на СаО, кварцевый песок - 92-94% и вода - 7-8% по массе сухой смеси.

Существуют две схемы производства силикатного кирпича: силосная и барабанная. По силосной схеме известь, совместно с песком, гасят в силосах в течение 4-8 ч. По барабанной схеме известь, совместно с песком, гасят во вращающихся барабанах с подводом пара под избыточным давлением до 0,5 МПа благодаря чему процесс гашения длится 30-40 мин.

Погашенная смесь извести и песка увлажняется, перемешивается и прессуется под давлением 15-20 МПа, в результате получается сырец, который укладывают на вагонетки и направляют в автоклавы на 10-14 ч для запаривания под давлением насыщенного пара 0,8 МПа (изб.) при температуре около 175 о С. Прочность силикатного кирпича растет в течение некоторого времени и после выгрузки из автоклава (на воздухе).

Силикатный кирпич выпускают двух видов: одинарный (размером 250х120х65 мм) и модульный (размером 250х120х88 мм). Модульный кирпич изготавливают с технологическими пустотами, замкнутыми с одной стороны. Цвет кирпича светло-серый, но он может быть и цветным за счет введения в состав смеси щелочестойких минеральных пигментов.

Благодаря прессованию под большим давлением и отсутствию усадочных явлений размеры силикатного кирпича выдержаны более точно, чем у глиняного. Плотность его несколько выше, чем у керамического кирпича - 1800-1900 кг/м 3 , теплопроводность - 0,82 - 0,87 Вт/(м о С). В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе силикатный кирпич изготавливают шести марок: 75, 100, 125, 150, 200 и 250. Морозостойкость силикатного кирпича не ниже М рз 15, водопоглощение 8-16% по массе.

Области применения силикатного кирпича такие же, как и керамического кирпича. Однако он не рекомендуется для кладки фундаментов и стен в условиях высокой влажности, так как воздействие грунтовых и сточных вод вызывает его разрушение. Нельзя использовать силикатный кирпич в конструкциях, подверженных действию высоких температур (в печах, дымовых трубах и т. п.).

Силикатными бетонами называют большую группу бетонов автоклавного твердения, получаемых на основе известково-песчаного, известково-зольного или других известково-кремнеземистых вяжущих. Кроме того, в качестве вяжущего могут использовать молотые доменные шлаки.

Плотный мелкозернистый силикатный бетон, в отличие от тяжелого бетона, в своем составе не содержит крупного заполнителя (гравия или щебня). Структура силикатного бетона более однородна, а стоимость значительно ниже.

Прочность его при сжатии колеблется в довольно широких пределах (15-60 МПа) и зависит от состава смеси, режима автоклавной обработки и других факторов. Водостойкость силикатного бетона удовлетворительная. При полном водонасыщении снижение их прочности не превышает 25%. Морозостойкость - 25-50 циклов, а при добавке портландцемента она повышается до 100 циклов.

Из плотного силикатного бетона выполняют крупные стеновые блоки наружных стен с щелевыми пустотами и внутренних несущих стен, панели и плиты перекрытий, колонны, балки и прогоны, лестничные площадки и марши, цокольные блоки и другие армированные изделия.

В легких силикатных бетонах в качестве заполнителей используют керамзит, гранулированный шлак, шлаковую пемзу и другие пористые материалы в виде гравия и щебня. Из легких силикатных бетонов на пористых заполнителях изготовляют блоки и панели наружных стен жилых зданий.

Ячеистые силикатные бетоны, в зависимости от способа образования пористой структуры, разделяют на пено- и газосиликаты. Их получают при автоклавной обработке известково-песчаной пластичной смеси, в состав которой вводят устойчивую пену (пеносиликат) или алюминиевую пудру и другие газообразователи (газосиликат).

По назначению легкие и ячеистые силикатные бетоны делят на: теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные и конструкционные.

Производство силикатных строительных материалов базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который осу­ществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара давлением 0,8-1,3 МПа и температурой 175-200 °С. Для гидро­термального синтеза можно использовать при надлежащем обосно­вании иные параметры автоклавизации, применять обработку не только паром, но и паровоздушной или парогазовой смесью, водой.

Силикатные автоклавные материалы - это бесцементные мате­риалы и изделия (силикатные бетоны, силикатный кирпич, камни, блоки), приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь (гашеную или молотую негашеную), кварцевый песок и воду, кото­рые образуют в процессе автоклавной обработки гидросиликаты кальция:

Са(ОН)2 + Si02 + mH20 = Ca0Si02/iH20.

В условиях автоклавной обработки можно получить различные гидросиликаты кальция в зависимости от состава исходной смеси: тоберморит 5Ca0 6Si02 5H20, слабо закристаллизованные гидроси­ликаты: (0,8-1,5) Ca0 Si02 H20 - и (1,5-2) Ca0 Si02 H20. В высо­коизвестковых смесях синтезируется гиллебрандит 2Ca0Si02H20.

Автоклав представля­ет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками (рис. 9.3).

Диаметр автоклава - 2,6-3,6 м, длина - 21- 30 м. Автоклав снабжен манометром, показываю­щим давление пара, и Рис. 9.3. Загрузка в автоклав предохранительным кла-
паном, автоматически открывающимся при повышении давления выше предельного. В нижней части автоклава уложены рельсы, по которым передвигаются загруженные в автоклав вагонетки с изде­лиями. Автоклав оборудован устройствами для автоматического контроля и управления режимом автоклавной обработки. Для уменьшения теплопотерь автоклав покрыт слоем теплоизоляции.

После загрузки автоклав закрывают и в него постепенно впус­кают насыщенный пар. Высокая температура при наличии в бетоне воды в капельно-жидком состоянии создает благоприятные условия для химического взаимодействия между гидроксидом кальция и кремнеземом.

Прочность автоклавных материалов формируется в результате взаимодействия двух процессов: структурообразования, обусловлен­ного синтезом гидросиликатов кальция, и деструкции, обусловлен­ной внутренними напряжениями.

Для снижения внутренних напряжений автоклавную обработку проводят по определенному режиму, включающему постепенный подъем давления пара в течение 1,5-2 ч, изотермическую выдержку изделий в автоклаве при температуре 175-200 °С и давлении 0,8- 1,3 МПа в течение 4-8 ч и снижение давления пара в течение 2-4 ч. После автоклавной обработки продолжительностью 8-14 ч получают силикатные изделия.

Силикатные бетоны

Силикатные бетоны, как и цементные, могут быть тяжелыми (заполнитель - песок и щебень или песок и песчано-гравийная смесь), легкими (заполнители пористые - керамзит, вспученный перлит, аглопорит и др.) и ячеистыми.

В силикатном бетоне применяют известково-кремнеземистое вяжущее, в состав которого входят воздушная известь и тонкомоло­тый кварцевый песок (взамен песка применяют золу, молотый до­менный шлак). Прочность известково-кремнеземистого вяжущего зависит от активности извести, соотношения CaO/SiC>2, тонкости из­мельчения песка и параметров автоклавной обработки (температуры и давления насыщенного пара, длительности автоклавного тверде­ния). Оптимальным будет такое соотношение CaO/Si02 и такая тон­кость помола песка, при которых вся СаО будет связана в низкоос­новные гидросиликаты кальция (рис. 9.4).

Изготовление бетонных и железо бетонных изделий вклю­чает приготовление известково­кремнеземистого вяжущего, при­готовление и гомогенизацию си­ликатнобетонной смеси, формо­вание изделий, автоклавную об­работку. В процессе автоклави - зации между всеми компонента­ми бетона имеют место химиче­ские взаимодействия.

Заполнитель (в особенности кварцевый песок) участвует в синтезе новообразований, подвер­гаясь изменениям на глубину до 15 мкм.

Тяжелый силикатный бетон плотностью 1800-2500 кг/м3, с прочностью 15-80 МПа приме­няют для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе предваритель­но напряженных.

Силикатный кирпич

Силикатный кирпич изготовляется из жесткой смеси кварцевого песка (92-94%), извести (6-8%, считая на активную СаО) и воды (7- 9%) путем прессования под давлением (15-20 МПа) и последующего твердения в автоклаве.

Цвет силикатного кирпича светло-серый, но он может быть любо­го цвета путем введения в состав смеси щелочестойких пигментов. Выпускают кирпич двух видов: одинарный 250x120x65 мм и модуль­ный 250x120x88 мм. Модульный кирпич изготовляют с пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4,3 кг.

В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе сили­катный кирпич имеет марки: 100, 125, 150, 200 и 250.

Плотность силикатного кирпича (без пустот) - около 1800-
1900 кг/м3, т. е. он немного тяжелее обыкновенного глиняного кир­пича, теплопроводность - 0,70-0,75 Вт/(м °С), водопоглощение лицевого силикатного кирпича не превышает 14%, а рядового - 16%. Марки по морозостойкости для лицевого кирпича: 25, 35, 50; для рядового - 15.

Силикатный кирпич, как и глиняный, применяют для несущих стен зданий. Не рекомендуется его применять для цоколей зданий из-за недостаточной водостойкости. Для кладки труб и печей сили­катный кирпич не используют, так как при высокой температуре де­гидратируется Са(ОН)2, разлагаются СаС03 и гидросиликаты каль­ция, а зерна кварцевого песка при 600 °С расширяются и вызывают растрескивание кирпича.

На производство силикатного кирпича расходуется меньше теп­ла, поскольку не требуются сушка и высокотемпературный обжиг, поэтому он на 30-40% дешевле глиняного кирпича.

Схема производства силикатного кирпича показана на рис. 9.5.

Комовую известь-кипелку, поступающую из известеобжига­тельной печи, сортируют, чтобы удалить недожог и пережог, затем дробят и размалывают в тонкий порошок. При этом воздушным се­паратором отделяются наиболее тонкие частицы. Повышение тонко­сти помола извести также сокращает ее расход.

Гасить известь в смеси с песком можно в силосах в течение 8- 9 ч (первый способ) или, что гораздо быстрее и интенсивнее, в гасильных барабанах (второй способ). Последний представляет собой металлический цилиндр, по концам имеющий форму усе­ченных конусов, который вращается вокруг горизонтальной оси. При помощи дозирующего аппарата песок дозируют по объему, а известь - по весу, а затем засыпают через герметически закры­вающийся люк в гасильный барабан. После загрузки барабан вра­щают, впускают пар и гасят известь под давлением 0,3-0,5 МПа. Перед прессованием известково-песчаную смесь перемешивают в лопастной мешалке или на бегунах и дополнительно увлажняют (до 7%).

Прессуют кирпич на прессах под давлением до 150-200 кг/см2. Применяемые на заводах прессы имеют периодически вращающийся стол с устроенными в нем формами. Прессование производится снизу

вверх при помощи рычажного механизма. Спрессованный кирпич - сырец получает высокую плотность, что способствует более полно­му прохождению реакции между известью и кварцевым песком. Производительность различных типов прессов, зависящая от их кон­струкции, колеблется в пределах 2200-3000 кирпичей в 1 ч.

Отформованные кирпичи снимают со стола пресса, осторожно укладывают на вагонетки и отправляют в автоклавы для твердения.

Прочность силикатного кирпича продолжает повышаться и по­сле запаривания его в автоклаве. Это объясняется тем, что часть из­вести, не вступившей в химическое взаимодействие с кремнеземом, реагирует с углекислотой воздуха, т. е. происходит карбонизация: Са(ОН)2 + С02 = СаС03+ Н20.

Прочность, водостойкость и морозостойкость силикатного кир­пича увеличиваются также при его высыхании.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич

Известково-шлаковый кирпич изготовляют из смеси извести и гранулированного доменного шлака. Извести берут 3-12% по объ­ему, шлака - 88-97%.

При замене шлака золой получается известково-зольный кир­пич. Состав смеси: 20-25% извести и 80-75% золы. Так же как и шлак, зола является дешевым сырьем, образующимся в больших ко­личествах после сжигания топлива (каменного угля, бурого угля и др.) в котельных ТЭЦ, ГРЭС и др.

В процессе сгорания пылевидного топлива часть очаговых ос­татков оседает в топке (зола-шлак), а самые мелкие частицы золы уносятся в дымоходы, где задерживаются золоуловителями, а затем их транспортируют за пределы котельной - в золоотвалы. Наиболее тонкодисперсные золы называют золами-уносами.

При смешивании с водой золы не твердеют, однако при добав­ках извести или портландцемента они активизируются, а запарива­ние смеси в автоклавах дает возможность получать из них изделия достаточной прочности.

При сжигании некоторых горючих сланцев (например, средне волжских) образуются золы, содержащие окиси кальция 15% и более, которые имеют способность твердеть без добавок извести. Кирпич из этих зол называют сланце-золъным.

Использование шлаков и зол очень выгодно, так как при этом снижается стоимость строительных материалов.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи формуют на тех же прессах, которые применяют при производстве силикатно­го кирпича, и запаривают в автоклавах.

Плотность шлакового и зольного кирпичей - 1400-1600 кг/м3, теплопроводность - 0,5-0,6 Вт/(м °С). По пределу прочности при сжатии шлаковый и зольный кирпичи разделяют на три марки: 75, 50 и 25. Морозостойкость известково-шлакового кирпича такая же, как и силикатного, а известково-зольного - ниже.

Известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи применя­ют для возведения стен зданий высотой не более трех этажей и для кладки верхних этажей многоэтажных зданий.

Изделия из пеносиликата и других ячеистых материалов

Пеносиликат - это искусственный каменный материал ячеи­стой структуры, который получается в результате затвердевания пластичной известково-песчаной смеси, смешанной с технической пеной.

Материал, полученный смешиванием того же раствора с газооб - разователем (алюминиевой пудрой, пергидролем и др.), называют газосиликатом.

Для производства пеносиликата рекомендуется применять моло­тую известь-кипелку, содержащую активный СаО не менее 70%. Чем выше активность извести и тоньше помол, тем меньше ее требуется для приготовления пеносиликата. Обычно извести берут 15-20% от веса сухой смеси. Кроме кварцевого песка, в качестве заполнителей можно использовать доменный гранулированный шлак, золу элек­тростанций, маршалит, трепел, диатомит и другие заполнители, со­держащие большое количество кремнезема.

В процессе производства пеносиликата известь и заполнитель подвергают совместному или раздельному помолу. При раздельном помоле компонентов известь и заполнитель измельчают в трубных, шаровых мельницах, а при совместном помоле - в дезинтеграторах. Песок сначала измельчают в них с гашеной известью, которой берут 25-30% от общего количества вводимой извести, а остальную часть извести добавляют в виде молотой извести-кипелки.

Дальнейший этап производства пеносиликатных изделий заклю­чается в приготовлении ячеистой смеси. Ячеистую смесь приготов­ляют путем смешивания известково-песчаного раствора с устойчи­вой пеной в пенобетономешалках.

Готовую ячеистую смесь выливают из смесительного барабана пенобетономешалки в бункер, а затем разливают в формы, соответ­ствующие профилю и размерам будущего изделия. После 6-8 часо­вой выдержки (частичного отвердения) формы с полузатвердевшей смесью транспортируют в автоклавы для запаривания.

Пеносиликатные изделия изготовляют плотностью от 300 до 1200 кг/м3 и прочностью в пределах 0,4-20 МПа.

Из теплоизоляционного пеносиликата изготовляют термовкла­дыши, которые используют для утепления стен; плиты, скорлупы и короба - для ограждения теплопроводов и другие теплоизоляцион­ные изделия. Для кладки несущих стен одно-, двухэтажных зданий применяют мелкие офактуренные неармированные блоки плотно­стью 600-700 кг/м3.

Для защиты блоков от атмосферных воздействий в процессе экс­плуатации наружная поверхность изделий покрывается облицовоч­ным слоем из цементно-песчаного раствора толщиной 2-3 см, кото­рый укладывается на дно формы перед заливкой ячеистой смеси.

Конструктивно-теплоизоляционный пено - и газосиликат приме­няют теперь также для изготовления крупноразмерных изделий для наружных и внутренних стен, покрытий промышленных сооруже­ний, междуэтажных и чердачных перекрытий жилых зданий, перего­родок и др.

Для покрытий промышленных зданий изготовляют армопеноси - ликатные и армогазосиликатные прямоугольные плиты.

Армопеносиликатные плиты по сравнению с обычными железо­бетонными не требуется теплоизолировать и в то же время они дос­таточно прочны и долговечны. Укладывают их по железобетонным или металлическим прогонам, а сверху покрывают гидроизоляцион­ными рулонными материалами.

Плотность пеносиликата 900-1100 кг/м3, предел прочности его при сжатии 6-10 МПа (гл. X, § 8).

Агрегатный индекс как форма общего индекса. Выбор весов при построении общих индексов. Индексы цен Г. Пааше и Э. Ласпейреса, их практическое применение.

Административная ответственность – это применение уполномоч органом или должност лицом админ наказания к лицу,совершившему админ правонаруш.

Ароматические углеводороды. Структурная формула бензола (по Кекуле). Химические свойства бензола. Получение и применение бензола и его гомологов.

Асбоцементные изделия. Свойства, разновидности, применение.

Ацетилен – представитель углеводородов с тройной связью в молекуле. Свойства, получение и применение ацетилена.

Б-12. Видеозапись как средство фиксации криминалистически значимой информации. Применение видеозаписи при производстве следственных действий.

Б9.6 Работы с применением автомобилей, грузоподъемных машин.

Силикатные изделия представляют собой искусственный каменный материал, изготовленный из смеси извести, песка и воды, отформованный путем прессования под большим давлением и прошедший автоклавную обработку.

В строительстве широкое распространение получили силикатный кирпич; силикатный плотный бетон и изделия из него; ячеистые силикатные бетоны и изделия; силикатный бетон с пористыми заполнителями.

Силикатный кирпич прессуют из известково-песчаной смеси следующего состава (%): чистый кварцевый песок 92-94; воздушная известь 6-8 и вода 7-8. Подготовленную в смесителях известково-песчаную массу формуют на прессах под давлением 15-20 МПа и запаривают в автоклавах при давлении насыщенного пара 0,8 МПа и температуре примерно 175 °С.

При запаривании известь, песок и вода вступают в реакцию, в результате которой образуется гидросиликат кальция, цементирующий массу и придающий ей высокую прочность. Продолжительность цикла автоклавной обработки 10-14 ч, а всего процесса изготовления силикатного кирпича 16-18 ч, в то время как процесс изготовления обычного глиняного кирпича длится 5-6 сут.

Силикатный кирпич выпускается двух видов: одинарный размером 250 X 120 X 65 мм и модульный размером 250 X 120 X 88 мм. Объемная масса силикатного кирпича 1800-1900 кг/м3, морозостойкость не ниже Мрз 15, водопоглощение 8-16% по массе. По прочности при сжатии силикатный кирпич делится на пять марок: 75, 100, ’25, 150 и 200. По теплопроводности силикатный кирпич незначительно отличается от обычного- глиняного и вполне заменяет последний при кладке стен любых зданий, кроме стен, маледящнхея в условиях высокой влажности или подвергающихся воздействию высоких температур (печи, дымовые трубы). По цвету силикатный кирпич светло-серый, но может быть и цветным, окрашенным в массе введением в нее минеральных пигментов.

Изделия из плотного силикатного бетона. Мелкозернистый плотный силикатный бетон - бесцементный бетон автоклавного твердения на основе известково-кремнеземистых или известково-зольных вяжущих - получают по следующей технологической схеме: часть кварцевого песка (8-15%) смешивается с негашеной известью (6-10%) и подвергается тонкому помолу в шаровых мельницах, затем измельченное известково-песчаное вяжущее и обычный песок (75-85%) затворяют водой (7-8%), перемешивают в бетономешалках и затем смесь поступает на формовочный стенд. Отформованные изделия запаривают в автоклавах при температуре 175-190° С и давлении пара 0,8 и 1,2 МПа.

Изделия из плотного силикатного бетона имеют объемную массу 1800-2200 кг/м3, морозостойкость 25-50 циклов, прочность при сжатии 10-60 МПа.

Из плотного силикатного бетона изготовляют крупные полнотелые стеновые блоки, армированные плиты перекрытий, колонны, балки, фундаментные и цокольные блоки, конструкции лестниц и перегородок.

Силикатные блоки для наружных стен и стен во влажных помещениях должны иметь марку не ниже 250.

Изделия из ячеистого силикатного бетона. По способу образования пористой структуры ячеистые силикатные бетоны бывают пеносиликатные и газосиликатные.

Основным вяжущим для приготовления этих бетонов является молотая известь. В качестве кремнеземистых компонентов вяжущего и мелких заполнителей используют молотые пески, вулканический туф, пемзу, золу-унос, трепел, диатомит, трас, шлаки.

При изготовлении ячеистых силикатных изделий пластичную известково-песчаную массу смешивают с устойчивой пеной, прчго- товленной из препарата ГК, мыльного корня и др., или с газооб- разователями - алюминиевой пудрой, а затем смесь заливают в формы и подвергают автоклавной обработке.
Объемная масса пеносиликатных изделий и газосиликатных изделий 300-1200 кг/м3, прочность при сжатии 1-20 МПа.

По назначению ячеистые силикатные изделия делятся на теплоизоляционные объемной массой до 500 кг/м3 и конструктивно-теплоизоляционные объемной массой более 500 кг/м3.

Теплоизоляционные ячеистые силикаты находят применение в качестве утеплителей, а из конструктивно-теплоизоляционных силикатов изготовляют наружные стеновые блоки и панели, а также комплексные плиты покрытий здания.

Изделия из силикатного бетона на пористых заполнителях. В качестве вяжущего силикатного бетона на пористых заполнителях используют тонкомолотые известково-кремнеземистые смеси, а крупными заполнителями служат керамзит, пемза, поризованные шлаки и другие пористые легкие природные и искусственные материалы в виде гравия и щебня. После автоклавной обработки такие бетоны приобретают прочность при сжатии от 3,5 до 20 МПа при объемной массе от 500 до 1800 кг/м3 и из них в основном изготовляют блоки и панели наружных стен жилых и общественных зданий.

Силикатный кирпич применяется наряду с глиняным для кладки стен и столбов. Однако не рекомендуется применять силикатный кирпич марки ниже 100 для частей конструкций, подвергающихся в эксплуатационных условиях увлажнению и замораживанию. Кислоты также разрушают силикатный кирпич.

Силикатный кирпич не жаростойкий материал. При высоких температурах известь, содержащаяся в кирпиче в виде гидрата окиси кальция, переходит в окись кальция (известь-кипелку), которая при взаимодействии с водой снова начинает гаситься, увеличиваясь при этом в объеме и разрушая кирпич. Поэтому силикатный кирпич не применяют для кладки печей, труб и других конструкций, где возможно длительное воздействие высоких температур. Кратковременное воздействие температур до 350° силикатный кирпич выдерживает без разрушений.

Силикатные изделия в строительстве находят применение не только в виде кирпича или стеновых камней. Их с успехом применяют также в качестве материалов для наружной облицовки зданий, крупных стеновых блоков, плит перекрытий и др. В настоящее время разработаны способы получения Силикатных изделий, обладающих очень высокой прочностью при сжатии – до 1 000 кг/см2. Такая прочность позволяет выпускать силикатные изделия в виде плиток для пола, канализационных труб, черепицы, плит для покрытий.

Получение столь прочных силикатных материалов достигается добавкой в известково-песчаный раствор молотого песка. Молотый песок, обладая большей поверхностью и большей ее активностью, способствует более полному взаимодействию кремнезема песка с известью.

Плиты для облицовки зданий и крупные блоки изготовляются трамбованием, прессованием или вибрированием с последующей пропаркой в автоклавах.

Силикатные изделия, которые предназначены воспринимать в конструкции изгибающие нагрузки, выпускаются армированными сталью.

По газодинамическим параметрам различаютламинарное и турбулентное пламя.

Ламинарным (от лат. lamina - слой, пластина)называется спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.

Турбулентным (от лат. turbulenze - вихрь)называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.

Оба эти режима все вы неоднократно наблюдали. Вспомните обычную зажигалку: когда установлен маленький расход газа, пламя спокойное, как пламя свечи, это – ламинарное пламя, при увеличении расхода, пламя меняет свою форму и становится беспокойным, закрученным вихрями, постоянно меняющейся формы, это – турбулентное пламя.

Такое поведение пламени при турбулентном режиме объясняется тем, что в зону горения начинает поступает гораздо большее количество горючего газа, то есть в момент времени должно окисляться все больше и больше горючего, что приводит к увеличению размеров пламени и дальнейшей его турбулизации.

Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуетсякритерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):

× (для запоминания:"ведро молока")

где v - линейная скорость газового потока, м/с;

d - характерный размер потока, м;

r - плотность газа, кг/м 3 ;

m - динамический коэффициент вязкости, Н×с/м 2

Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300, при 2300 < Re < 10000 режим переходный, а при Re > 10000 - турбулентный. Во всех случаях толщина d зоны горения (фронта) пламени d лам < d п epex < d т yp .

Из-за ограничений, налагаемых скоростью диффузии, горючие газы и пары зачастую не успевают прореагировать с кислородом воздуха полностью и продукты горения помимо летучих газов и паров содержат мелкие раскаленные конденсированные частички несгоревшего углерода органических веществ в виде сажи, которые излучают свет и тепло.

Излучение пламени определяется излучением продуктов горения в различном агрегатном состоянии.

Структура пламени

Пламя имеет свою структуру, знание которой крайне необходимо для понимания процесса горения в целом.

Непосредственно химическая окислительно-восстановительная реакция протекает в тонком поверхностном слое, ограничивающем пламя, называемом фронтом пламени .

Фронт пламени – тонкий поверхностный слой, ограничивающий пламя, непосредственно в котором протекают окислительно-восстановительные реакции.

Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.

Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 1.2.

Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10 -3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10 -3 –10 -6 с.

Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса пламени и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К.

Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.

Как отмечалось ранее, главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.

Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами.

Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (С О = 0) и в окружающем воздухе (начальная С О = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при горении в замкнутых объемах.

Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.

Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.

Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.

Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:

где - скорость потока;

Диаметр струи;

Коэффициент диффузии.

Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени.

Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса.

Для пламен, когда происходит значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени.

Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение.

Химические и физические процессы в пламени

В пламени одновременно протекают химические и физические процессы, между которыми существуют определенные причинно-следственные связи.

К химическим процессам в пламени относятся:

на подходе к зоне горения:

Термическое разложение исходных веществ с образованием более легких продуктов (водорода, оксидов углерода, простейших углеводородов, воды и т.д.);

во фронте пламени:

Термоокислительные превращения с выделением теплоты и образованием продуктов полного (диоксида углерода и воды) и неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.);

Диссоциация продуктов горения,

Ионизация продуктов горения.

К физическим процессам в пламени относятся:

Тепломассоперенос во фронте пламени;

Процессы, связанные с испарением и доставкой летучих горючих веществ в зону горения.

Скорость переноса (диффузии) веществ имеет решающее значение, например, в неоднородных системах, где она гораздо меньше скорости химических реакций окисления. Соотношение скорости химических превращений и физических процессов определяет режим процесса горения.

Распространение пламени в пространстве

Возникновение горения или зажигание - только начальная стадия процесса горения, его инициирование. Данная стадия, безусловно, важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов. Но предотвратить их не всегда удается, поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет возможность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на реальных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится сталкиваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшедших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные закономерности процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы также для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа применения огнетушащего средства в конкретных условиях.

Наиболее простая схема горения – горение газов и паров. Смешиваясь с окислителем (в большинстве случаев кислородом воздуха), они образуют горючую смесь. Как было сказано выше, горение может быть диффузионным и кинетическим.

При диффузионном горении газов распространение пламени происходит по мере смешивания горючего с окислителем, это мы разбирали выше.

При кинетическом горении газов, распространение пламени может происходить по механизму дефлаграции (нормальное горение) и детонации.

Нормальное или дефлаграционное горение - это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности.

Дефлаграционное пламя распространяется с небольшой скоростью, порядка нескольких метров или десятков метров в секунду. Передача теплоты в этом случае осуществляется послойно по механизму теплопроводности.

При дефлаграционном горении пламя распространяется со скоростью, называемой нормальной скоростью распространения пламени.

Сущность механизма теплового распространения пламени, как было установлено выше, заключается в передаче теплоты из зоны горения теплопроводностью и разогрев прилегающего слоя свежей горючей смеси до температуры самовоспламенения.

Опасность дефлаграционного горения, помимо упомянутого выше, заключается еще и в том, что при определенных условиях дефлаграция может перейти в детонацию.

Детонация – это режим горения, при котором фронт пламени распространяется за счет самовоспламенения горючей смеси во фронте бегущей впереди ударной волной.

Скорость распространения пламени при детонации целиком и полностью определяется скоростью распространения ударной волны.

Скорость детонации в реальных горючих газовых системах значительно выше, чем дефлаграции. Она может достигать 3 км/с. Это обуславливает большую разрушительную способность и опасность детонационной волны.

Огромный профессиональный интерес для пожарных специалистов представляет явление самопроизвольного возникновения детонационного режима горения. Оно довольно часто наблюдается при горении однородных паро- и газо-воздушных смесей в трубопроводах, различных узостях между оборудованием, в кабельных тоннелях, емкостях и т.п. В этих местах нормальный, дефлаграционный режим горения может перейти в детонационный.

Как и дефлаграция, детонация газовых систем возможна только в определенной области концентраций горючего и окислителя.

Производство силикатных материалов

Силикатными материалами называются материалы из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Это твердые кристаллические или аморфные материалы, и к силикатам иногда относятся материалы, не содержащие в своем составе оксидов кремния.

Силикаты - это соединения различных элементов с кремнеземом (оксидом кремния), в которых он играет роль кислоты. Структурным элементом силикатов является тетраэдрическая ортогруппа -4 с атомом кремния Si +4 в центре и атомами кислорода O -2 в вершинах тетраэдра. Тетраэдры в силикатах соединены через общие кислородные вершины в кремнекислородные комплексы различной сложности в виде замкнутых колец, цепочек, сеток и слоев. В алюмосиликатах, помимо силикатных тетраэдров, содержатся тетраэдры состава [А1О 4 ] -5 с атомами алюминия А1 +3 , образующие с силикатными тетраэдрами алюминий-кремнийкислородные комплексы.

Цепи, ленты и слои связаны между собой расположенными между ними катионами. В зависимости от типа оксосиликатных анионов силикаты имеют волокнистую (асбест), слоистую (слюда) структуру.

Кроме силикатов в природе широко распространены алюмосиликаты , в образовании которых наряду с тетраэдрами SiO 4 принимают участие тетраэдры АlO 4 .

В состав сложных силикатов помимо иона Si +4 входят:

катионы : Na + , K + , Са ++ , Mg ++ , Mn ++ , В +3 , Сг +3 , Fe +3 , A1+ 3 , Ti +4 и анионы : О 2 -2 , ОН – , F – , Сl - , SO 4 2- , а также вода. Последняя может находиться в составе силикатов в виде конституционной, входящей в кристаллическую решетку в форме ОН - , кристаллизационной Н 2 О и физической, абсорбированной силикатом.

Свойства силикатов зависят от их состава, строения кристаллической решетки, природы сил, действующих между ионами, и, в значительной степени определяются высоким значением энергии связи между атомами кремния и кислорода, которая составляет 450-490 кДж/моль. (Для связи С-O энергия составляет 314 кДж/моль). Большинство силикатов отличаются тугоплавкостью и огнеупорностью, температура плавления их колеблется от 770 до 2130 °С. Твердость силикатов лежит в пределах от 1 до 6-7 ед. по шкале Мооса. Большинство силикатов малогигроскопичны и стойки к кислотам, что широко используется в различных областях техники и строительства.

Химический состав силикатов принято выражать в виде формул, составленных из символов элементов в порядке возрастания их валентности, или из формул их оксидов в том же порядке. Например, полевой шпат K 2 Al 2 Si 6 O 16 может быть представлен как KAlSi 3 O 8 или К 2 О×А1 2 О 3 ×6SiO 2 .

Силикатные материалы насчитывают большое количество различных видов , представляют крупномасштабный продукт химического производства, используются во многих областях техники и промышленности .

На рис. 11.1 приведена классификация силикатов .

Рис. 11.1. Производство силикатных материалов

Все силикаты подразделяются на природные (минералы) и синтетические (силикатные материалы). Силикаты - самые распространенные химические соединения в коре и мантии Земли, составляя 82% их массы , а также в лунных породах и метеоритах. Общее число природных известных силикатов превышает 1500. По происхождению они делятся на кристаллизационные (изверженные) породы и осадочные породы. Природные силикаты используются как сырье в различных областях народного хозяйства:

В технологических процессах, основанных на обжиге и плавке (глины, кварцит, полевой шпат и др.);

В процессах гидротермальной обработки (асбест, слюда и др.);

В строительстве;

В металлургических процессах.

Силикатные материалы насчитывают большое количество различных видов, представляют крупномасштабный продукт химического производства и используются во многих областях народного хозяйства.

Сырьём для их производства служат:

– природные минералы (кварцевый песок, глины, полевой шпат, известняк),

– промышленные продукты (карбонат натрия, бура, сульфат натрия, оксиды и соли различных металлов)

– отходы (шлаки, шламы, зола).

По масштабам производства силикатные материалы занимают одно из первых мест.

11.1 Типовые процессы технологии силикатных материалов

В производстве силикатных материалов используются типовые технологические процессы, что обусловлено близостью физико-химических основ их получения.

В самом общем виде производство любого силикатного материала состоит из следующих последовательных стадий (рис. 11.2 ):

Рис. 11.2. Принципиальная схема производства силикатных материалов

Первая стадия – подготовка шихты.

Эта стадия включает в себя механические операции подготовки твёрдого сырья: измельчения, (иногда - фракционирование), сушки, смешения компонентов.

Вторая стадия – стадия формования.

Операция формования должна обеспечить изготовление изделия заданной формы и размеров, с учётом изменения их на последующих операциях сушки и высокотемпературной обработки.

Формование включает:

а) увлажнение материала (шихты);

б) брикетирование или придания материалу определённой формы в зависимости от назначения изделия.

Третья стадия – сушка изделия.

Сушка изделия проводится для сохранения изделием приданной ему формы перед и во время операции высокотемпературной обработки.

Четвёртая стадия - высокотемпературная обработка изделия или шихты.

1) На этой стадии происходит синтез из компонентов шихты минералов определённой природы и состава.

2) В зависимости от назначения и свойств получаемого материала высокотемпературная обработка заключается в обжиге изделия или варке шихты.

В процессе высокотемпературной обработки в шихте при повышении температуры последовательно протекают следующие процессы:

Удаление воды, сначала физической, затем кристаллизационной;

Кальцинация компонентов шихты, т.е. выделение из них конституционной воды (входящей в кристаллическую решётку в виде ионов OH -) и оксида углерода (IV);

Полимерные превращения в компонентах шихты и перестройка их кристаллической решётки;

Образование новых химических соединений в виде твёрдых растворов.

На этой стадии компоненты шихты - карбонаты металлов, гидроксиды металлов и алюмосиликаты превращаются в кислотные оксиды: SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 и основные оксиды: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, которые вступают в реакцию с друг с другом;

Спекание компонентов шихты.

Спекание может протекать:

в твёрдой фазе при температуре ниже температуры плавления компонентов;

или в жидкой фазе, при температуре выше их плавления.

Охлаждения массы с образованием жидкой и аморфной фаз.

11.2 Керамические изделия

Керамическими материалами или керамикой называют поликристаллические материалы и изделия из них, полученные спеканием природных глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов металлов и других тугоплавких соединений.

Керамические изделия весьма разнообразны и могут быть классифицированы по нескольким признакам.

По применению:

Строительные (кирпич, черепица);

Огнеупоры;

Тонкая керамика (фарфор, фаянс);

Специальная керамика.

По структуре и степени спекания: - пористые или грубозернистые (кирпич, огнеупоры, фаянс);

Спекшиеся или мелкозернистые (фарфор, специальная керамика).

По состоянию поверхности: глазурованные и неглазурованные.

11.2.1 Сырьё

В качестве сырья для производства силикатных керамических материалов используют вещества, обладающие свойством спекаемости.

Спекаемость – свойство свободно насыпанного или уплотнённого (сформованного в изделие) порошкообразного материала образовывать при нагревании до определенной температуры поликристаллическое тело – черепок.

Таким сырьём являются:

Пластичные материалы (глины);

Непластичные и отощающие добавки (кварцевый песок);

Плавни и минерализаторы (карбонаты кальция и магния).

Наиболее важными и крупнотоннажными керамическими материалами являются: строительный кирпич и огнеупоры.

11.2.2 Производство строительного кирпича

Сырьё. Сырьём для производства строительного кирпича служат легкоплавкие глины состава Al 2 O 3 ∙nSiO 2 ∙mH 2 O, песок и оксиды железа (III).

Добавка кварцевого песка исключает появление трещин, вследствие усадки материала, при сушке и обжиге и позволяет получить более качественную продукцию.

Технологический процесс производства кирпича может осуществляться в двух вариантах:

Пластическим методом, при котором смесь подготовленных компонентов сырья превращается в пластическую массу, содержащую до 25% воды;

Полусухим методом, при котором компоненты сырья увлажняются паром (до 10%), что обеспечивает необходимую пластичность массы.

Фактически, оба метода отличаются по количеству воды и методом подачи воды.

Технологическая схема производства строительного кирпича

1) Подготовленная тем или иным методом шихта, содержащая
40 – 45% глины, до 50% песка и до 5% оксида железа, поступает на прессование в ленточный пресс при пластичном методе, или и механический пресс, работающий под давлением 10-25 МПа при полусухом методе. На рис. 11.3 приведена принципиальная схема производства строительного кирпича полусухим способом.

Рис. 11.3. Ленточный пресс: 1 - загрузочная воронка; 2 – вальцы; 3 – шнек; 4- мундштук пресса; 5 – увлажнитель; 6 – глинистая масса в виде ленты; 7 – опорные ролики.

2) Сформованный кирпич отправляется на сушку в туннельную сушилку непрерывного действия и затем на обжиг при температуре 900 - 1100 ºС. Для ускорения сушки в глину добавляют электролит.

11.2.3. Производство огнеупоров

Огнеупорными материалами (огнеупорами) называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, то есть способностью противостоять, не расплываясь, воздействию высоких температур.

Область применения.

Огнеупоры применяются:

В промышленном строительстве для кладки металлургических печей, футеровки аппаратуры, работающей при высоких температурах;

Изготовления термостойких изделий и деталей (тигли, стержни поглотителей нейтронов в атомных реакторах, обтекатели ракет).

К материалам, используемым в качестве огнеупоров, предъявляются следующие требования:

Термическая стойкость, то есть свойство сохранять механические характеристики и структуру при одно- и многократных термических воздействиях;

Малый коэффициент термического расширения;

Высокая механическая прочность при температурной эксплуатации;

Устойчивость к действию расплавленных сред (металлов, шлака).

Ассортимент огнеупоров весьма широк. В зависимости от состава они делятся на несколько групп.

На рис. 11.4 представлена классификация огнеупорных материалов по их составу:

Рис. 11.4. Классификация огнеупоров по составу

1. Алюмосиликатные огнеупоры – относятся к числу наиболее распространенных огнеупоров.

В их основе лежит система «Al 2 O 3 -SiO 2 » с различным соотношением оксидов алюминия и кремния, от чего в значительной степени зависят их свойства, в частности, стойкость к расплавам различной кислотности.

2. Динасовые огнеупоры содержат 95 % оксида кремния с примесью оксида кальция. Они стойки к кислым шлакам, огнеупорны до 1730 ºС.

Применяются для коксовых и стекловаренных печей. Получаются из кварцита и оксида кальция обжигом при 1500 ºС.

3. Полукислые огнеупоры содержат до 70-80 % оксида кремния и 15-20 % оксида алюминия. Они относительно стойкие к кислым шлакам и силикатным расплавам и используются в металлургических печах и теплоэнергетических установках.

4. Шамотные огнеупоры содержат 50-70 % оксида кремния и до 45 % оксида алюминия. Они стойки к действию как основных так и кислых шлаков, огнеупорны до 1750 ºС и термически устойчивы. Получаются по схеме (рис. 11.5):

Рис. 11.5. Получение шамотных огнеупоров.

При обжиге каолина протекают реакции:

Al 2 O 3 ∙2SiO 2 ∙2H 2 O = Al 2 O 3 ∙2 SiO 2 + 2H 2 O

3(Al 2 O 3 ∙2SiO 2) = 3Al 2 O 3 ∙2SiO 2 + 4SiO 2 ∙

5. Магнезитовые огнеупоры содержат в качестве основы оксид магния. Например, доломитовые огнеупоры состоят из 30% оксида магния, 45% оксида кальция и 15% оксидов кремния.

Все виды магнезитовых огнеупоров устойчивы к действию основных шлаков, огнеупорны до 2500 ºС, однако термическая стойкость их невелика.

Применяются для облицовки сталеплавильных конвертеров, в электрических индукционных и мартеновских печах.

Получаются обжигом природных минералов, например, доломита:

CaCO 3 ∙MgCO 3 = MgO + CaO + CO 2 ; (MgO + CaO – огнеупор).

6. Корундовые огнеупоры состоят в основном из оксида алюминия. Они огнеупорны до 2050 ºС и применяются в устройствах для нагрева и плавления тугоплавких материалов в радиотехнике и квантовой электронике.

7. Карборундовые огнеупоры состоят из карбида кремния (карборунда) SiC. Они устойчивы к действию кислых шлаков, обладают высокой механической прочностью и термостойкостью.

Применяются для футеровки металлургических печей, изготовления литейных форм, чехлов термопар.

8. Углеродистые огнеупоры содержат от 30 до 92 % углерода и изготавливаются:

Обжигом смеси графита, глины и шамота (графитовые огнеупорные материалы);

Обжигом смеси кокса, каменноугольного пёка, антраценовой фракции каменноугольной смолы и битума (коксовые огнеупоры).

Углеродистые огнеупоры применяются для облицовки горнов доменных печей, печей цветной металлургии, электролизёров, аппаратуры в производстве коррозионно-активных веществ.

11.3. Производство вяжущих материалов

Вяжущими материалами называются одно- и многокомпонентные порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную формующуюся массу, затвердевающую при выдержке в прочное камневидное тело.

В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразделяются на три группы (рис. 11.6):

Рис. 11.6. Классификация вяжущих материалов

1. Воздушными вяжущими материалами называют материалы, которые после смешивания с водой (затворения) твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе.

2. Гидравлическими вяжущими материалами называют материалы, которые после затворения водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжают твердеть в воде. Другими словами, сохраняют прочность как на воздухе, так и в воде.

3. К кислотостойким вяжущим материалам относятся такие, которые после затвердевания на воздухе сохраняют прочность при воздействии на них минеральных кислот.

Это достигается тем, что для их затворения используют водные растворы силиката натрия, а в массу материала вводят кислостойкие наполнители (диабаз, андезит и др.).

Сырьём для производства силикатных материалов, используемых в качестве вяжущих, служат:

Природные материалы – гипсовыё камень, известняк, мел, глины, кварцевый песок;

Промышленные отходы – металлургические шлаки, огарок колчедана, шламы переработки нефелина.

Применение. Вяжущие материалы в строительстве применяются в форме:

Цементного теста (вяжущий материал + вода);

Строительного раствора (вяжущий материал + песок + вода).

Действие вяжущего материала может быть разбито на три последовательные стадии:

Затворение (добавление воды) или образование пластической массы в виде теста или раствора смешением вяжущего вещества с соответствующим количеством воды или силикатного раствора;

Схватывание или первоначальное загустевание и уплотнение теста с потерей текучести и переходом в плотное, но непрочное соединение;

Твердение или постепенное увеличение механической прочности в процессе образования камневидного тела.

Важнейшими видами вяжущих материалов являются: портландцемент (гидравлический цемент) и воздушная (строительная) известь.

11.3.1 Производство портланд-цемента

Портландцементом называется гидравлический вяжущий материал, состоящий из силикатов и алюмосиликатов кальция разного состава .

Основными компонентами портландцемента являются следующие соединения:

- алит (трикальцийсиликат ) 3CaO∙SiO 2 ,

- белит (дикальцийсиликат ) 2CaO∙SiO 2 ,

- трикальцийалюминат 3CaO∙Al 2 O 3 .

Характеристикой портландцемента является «марка».

Маркой цемента называется предел прочности на сжатие образца цемента после затвердевания его в течение 28 суток, выражаемый в кг/см 2 . Чем больше марка цемента, тем выше его качество .

Существуют марки 400, 500 и 600 .

Производство портландцемента складывается из двух стадий: получения клинкера и его измельчения.

11.3.1.1 Получение клинкера

Получение клинкера может осуществляться двумя способами – мокрым и сухим , которые различаются методом приготовления сырьевой смеси для обжига .

Мокрый метод. По мокрому методу сырьё измельчают в присутствии большого количества воды. При этом образуется пульпа , содержащая до 45% воды.

В этом методе обеспечивается :

высокая однородность смеси;

снижается запыленность;

но увеличиваются затраты энергии на испарение воды.

Сухой метод. По сухому методу компоненты сырья сушат, измельчают и смешивают в сухом виде.

Такая технология является энергосберегающей , поэтому удельный вес производства цемента по сухому методу непрерывно возрастает .

На рис. 11.7 представлена схема производства портландцемента мокрым способом :

Рис. 11.7. Принципиальная схема производства портланд-цемента.

Производство клинкера включает операции :

- дробления, размола, корректировки состава сырья ;

- последующую высокотемпературную обработку полученной шихты – обжиг.

Сырьё. Сырьём в производстве портландцемента служат:

Различные известковые породы – известняк, мел, доломит;

Мергели – представляющие собой однородные тонкодисперсные смеси известняка и глины .

При обжиге шихты последовательно протекают следующие процессы:

- испарение воды (100 ºС);

- дегидратация кристаллогидратов и выгорание органических веществ:

MeO∙nH 2 O = nMeO + nH 2 O (500 ºС);

термическая диссоциация карбонатов:

CaCO 3 = CaO + CO 2 (900- 1200 ºС);

Взаимодействие основных и кислотных оксидов с образованием силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция :

CaO + SiO 2 = 2CaO∙SiO 2 (белит)

2CaO∙SiO 2 + CaO = 3CaO∙SiO 2 (алит)

3CaO + Al 2 O 3 = CaO∙Al 2 O 3 (трикальцийалюминат)

Процесс заканчивается при температуре 1450ºС, после чего клинкер поступает на охлаждение.

Состав образовавшегося после обжига продукта следующий: алит
40-60 %; белит 15-30 %; трикальцийалюминат 5-14 % .

Для обжига шихты используются барабанные вращающиеся печи диаметром 3,5-5,0 м и длиной до 185 м (рис. 11.8):

Рис. 11.8. Вращающаяся печь для получения цементного клинкера:
1 – вращающая печь; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики; 4 – электромоторы;
5 – шестерни; 6 – шнековый питатель; 7 - холодильник; 8 - дымоход

Компоненты сырья, поступающие в печь, последовательно проходят в ней зоны сушки, подогрева, кальцинации, экзотермических реакций образования силикатов, спекания и охлаждения.

Выходящий из печи клинкер охлаждается в барабанных холодильниках, а нагретый воздух используют для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающего в печь.

11.3.1.2 Измельчение клинкера

Для измельчения охлаждённый клинкер :

- выдерживается на складе в течение 10-15 суток для гидратации свободного оксида кальция влагой воздуха;

- смешивается с добавками и измельчается в дробилках и многокамерных мельницах до частиц 0,1 мм и меньше.

Затвердевание портландцемента основано на реакциях гидратации , входящих в его состав силикатов и алюмосиликатов , образованием кристаллогидратов различного состава :

3CaO∙SiO 2 + (n+1) H 2 O = 2CaO∙SiO 2 ∙nH 2 O + Ca(OH) 2

2CaO∙SiO 2 + nH 2 O = 2CaO∙SiO 2 ∙nH 2 O,

3CaO∙Al 2 O 3 + 6H 2 O = 3CaO∙Al 2 O 3 6H 2 O

При смешении порошка цемента с водой (затворении ) масса затвердевает.

Для придания цементу определённых свойств в него вводят добавки:

- гидравлические , повышающие водостойкость за счёт связывания содержащегося в цементе гидроксида кальция:

Ca(OH) 2 + SiO 2 = CaSiO 3 + H 2 O;

- пластифицирующие , повышающие эластичность массы;

- кислотостойкие , придающие цементу коррозийную стойкость к кислым средам (гранит );

- инертные , для удешевления продукции (песок );

- регулирующие время схватывания массы (гипс ).

Основная масса портландцемента используется для изготовления бетона и изделий из него.

Бетоном называется искусственный камень, получаемый при затвердевании затворённой водой смеси цемента , песка и заполнителя .

В качестве заполнителей используют:

В обыкновенных бетонах – песок, гравий, щебень;

В легких бетонах – различные пористые материалы – пемза, шлак;

В ячеистых бетонах – замкнутые поры, образующиеся в бетоне при разложении вводимых в бетонную смесь газо- и пенообразователей ;

В огнеупорных бетонах – шамотовый порошок;

В железобетоне – металлическая арматура .

11.3.2 Производство воздушной извести

Воздушной или строительной известью называется бессиликатный вяжущий материал, на основе оксида и гидроксида кальция.

Различают три вида воздушной извести:

- кипелка (негашёная известь) – оксид кальция CaO ;

- пушонка (гашёная известь) – гидроксид кальция Ca(OH) 2 ;

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения представляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистого (силикатного) камня, синтезируемого в процессе автоклавной обработки под действием пара при высокой температуре и повышенном давлении. Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, служит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке. Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например шлаки, золы ТЭЦ и др. Чтобы химическое взаимодействие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким будет измельченный песок, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого песка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п. Непременным компонентом во всех смесях выступает вода.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжелого силикатного бетона, панели перекрытий и стеновые, колонны, балки и пр. Легкие заполнители позволяют понизить массу стеновых панелей и других элементов. Силикатные изделия выпускают полнотелыми или облегченными со сквозными или полузамкнутыми пустотами. Особое значение имеют силикатные ячеистые бетоны, заполненные равномерно распределенными воздушными ячейками, или пузырьками. Они могут иметь конструктивное и теплоизоляционное назначение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качественные показатели.

Изделия приобретают свойства, необходимые для строительных материалов, после автоклавной обработки, в процессе которой образуется новый известково-кремнеземистый цемент с характерными для него новообразованиями гидросиликатов кальция и магния, а также безводных силикатов.

Возможность образования в автоклаве камневидного изделия была установлена в конце XIX в., но массовое производство силикатных изделий, деталей и конструкций, особенно типа бетонов, было впервые организовано в нашей стране. Технология их изготовления механизирована и в значительной мере автоматизирована, что обеспечивает получение более дешевой продукции по сравнению с цементными материалами и изделиями. Эффективные исследования в этом направлении были выполнены П.И. Боженовым, А.В. Волженским, П.П. Будниковым, Ю.М. Буттом и др. Было показано, что при автоклавной обработке образуются наиболее устойчивые низкоосновные гидросиликаты с соотношением Ca0:Si02 в пределах 0,8-1,2, хотя на промежуточных стадиях отвердевания возможны и более высокоосновные химические соединения. П.И. Боженов, отмечая «технический синтез» цементирующей связки в автоклавном конгломерате, состоящей из смеси гидросиликатов, полагает, что химическое сырье должно удовлетворять определенным требованиям. Оно должно быть высокодисперсным с удельной поверхностью порошка в пределах 2000-4000 см 2 /г, по возможности аморфным, стеклообразным. Химически активное сырье обеспечивает не только образование цементирующей связки в автоклавном конгломерате, но и ряд технологических свойств сырьевой смеси (формуемость изделий, ровность их поверхности, транспортабельность и др.). Но не только химические и физико-химические процессы влияют на формирование структуры и свойств силикатных материалов при автоклавной обработке. А.В. Волжен- ский первым обратил внимание на изменение тепловлажностных условий при автоклавной обработке и их влияние на качество изделий. В связи с этим было принято выделить три этапа в автоклавной обработке: наполнение автоклава и изделий паром до заданного максимального давления; спуск пара; извлечение изделий из автоклава.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П.И. Боженова, слагается из пяти этапов: впуск пара и установление температуры 100°С; дальнейшее повышение температуры среды и давления пара до назначенного максимума; изотермическая выдержка при постоянном давлении (чем выше давление, тем короче режим авто- клавизации); медленное и постепенное нарастание скорости снижения давления пара до атмосферного, а температуры - до 100°С; окончательное остывание изделий в автоклаве или после выгрузки их из автоклава. Оптимальный режим, т. е. наилучшие условия по величине давления пара, температуры и продолжительности всех стадий обработки, обусловливается видом сырья, хотя по экономическим соображениям всегда стремятся к быстрому подъему и медленному спуску давления.

Формирование микро- и макроструктуры силикатного изделия в автоклаве происходит на различных стадиях обработки. Механизм отвердевания известково-песчаного сырца до камневидного состояния выражается в том, что вначале образуется известково-кремнеземистое цементирующее вещество как продукт химического взаимодействия основных компонентов в смеси в условиях повышенных давлений и температур. Согласно одной из теорий (П.П. Будникова, Ю.М. Бутта и др.), образование цементирующего вещества происходит через предварительное растворение извести в воде. Так как растворимость извести с повышением температуры понижается, то постепенно раствор становится насыщенным. Но с повышением температуры возрастает растворимость тонкодисперсного кремнезема. Так, например, с повышением температуры с 80 до 120°С растворимость кремнезема возрастает (по данным Кеннеди) почти в 3 раза. Поэтому при температуре 120-130°С известь и кремнезем, находясь в растворе, взаимодействуют с образованием гелеобразных гидросиликатов кальция. По мере дальнейшего повышения температуры новообразования укрупняются с возникновением зародышей и кристаллической фазы, а затем и кристаллических сростков. При избытке извести возникают сравнительно крупнокристаллические двуосновные гидросиликаты кальция типа C2SH(A) и C2SH2, а после полного связывания извести и в процессе перекристаллизации возникают более устойчивые микрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH(B) и C5S6H5 (то- берморит). Кристаллизация происходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве; сопровождается срастанием кристаллических новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

Согласно другой теории, образование микроструктуры вяжущего происходит не через растворение извести и кремнезема, а в твердой фазе под влиянием процесса самодиффузии молекул в условиях водной среды и повышенной температуры. Имеется и третья теория (А.В. Саталкин, П.Г. Комохов и др.), допускающая образование микроструктуры вяжущего в результате реакций в жидкой и твердой фазах.

Большую пользу в формировании структуры и свойств силикатных камня и материалов оказывают вводимые в смеси добавочные вещества (добавки), выполняющие функции ускорителей процессов образования гидросиликатов кальция или магния, кристаллизации новообразований, модификаторов свойств и структуры. В целом в составе силикатного камня преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешуйчатое микрокристаллическое строение CSH(B) и тоберморит CsSeHs. В высокоизвестковых смесях в результате синтеза образуется гиллебрандит 2СаО Si0 2 Н2О (т. е. C 2 SH).

Оптимальная структура силикатного материала формируется при определенном количестве известково-кремнеземистого цемента и минимальном соотношении его фазовых составляющих.

Рис. 9.28. Зависимость прочности силикатного камня от соотношения масс известкового теста (Иг) и молотого песка (П м), а также от состава смеси:

1 - 20.80; 2 - 40.60; 3 - 60.40; 4 - 80.20. В числителе количество извести, в знаменателе - количество молотого песка (помола), взятых по массе

Рис. 9.29.

В свежеизготовленном конгломерате дисперсионной средой (с) служит известковое тесто (И т), а в качестве твердой дисперсной фазы (ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (П м). Активность (прочность) известково-кремнеземистого вяжущего вещества оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависит от величины соотношения И т: П м (по массе). Результаты экспериментальных исследований показали, что пределы прочности при сжатии, на растяжение при изгибе, средняя плотность и другие показатели свойств силикатного камня принимают экстремальные значения при некотором минимальном соотношении с7ф = И^/П м (рис. 9.28). В полном соответствии с формулой (3.4) прочность силикатного конгломерата R c = /Г/х, где R* - прочность автоклавного силикатного камня оптимальной структуры; х = Ит/Пм: И7Пм =

1 - 80:20; 2 - 60:40; 3 - 40:60; 4 - 30:70; 5 - 20:80; 6 - 17:83. Составы изготовлялись: 1,2, 3 - с применением керамдора; 4 , 5, 6 - с применением гранитного щебня. Кривые оптимальных структур 1,11 и III относятся к бетону соответственно с применением гранитного щебня, керамдора и только местного карьерного песка

6/5* - отношение усредненных толщин пленок известкового теста соответственно в вяжущем веществе конгломерата и в вяжущем веществе оптимальной структуры; п - показатель степени, зависит от качества исходных материалов.

Выполненные исследования силикатного камня и силикатного конгломерата на примерах бетонов мелко- и крупнозернистых (рис. 9.29) показали, что при оптимальных структурах их свойства полностью подчиняются общим закономерностям ИСК.

Кроме кремнеземистого сырьевого материала, можно использовать в производстве автоклавных изделий распространенные малокварцевые виды сырья - полевошпатовые, глинистые, карбонатные пески, а также шлаки и другие побочные продукты промышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях автоклавирования, становятся активными компонентами, не уступающими по растворимости кварцу. Их активность зависит от размеров радиусов анионов и катионов, входящих в их состав. В автоклаве формируется новое вяжущее (безобжиговое солешлаковое вяжущее), по свойствам превосходящее известково-кремнеземистое автоклавное твердение. Оно состоит из низкоосновных слабозакристаллизован- ных гидросиликатов кальция, а в присутствии ионов алюминия - из высокоосновных гидросиликатов кальция.