УМК. Эффективные технологии производства строительных материалов, изд. Методические указания по самостоятельной работе студентов 7480 8 Методические указания по организации и выполнению курсовых проектов (работ)

• Название: Методические указания по самостоятельной работе студентов 7480 8 Методические указания по организации и выполнению курсовых проектов (работ)
• Дата: 12.05.2023
• Размер: 2.13 Mb.
• Имя файла: Эффективные технологии производства строительных материалов, изд.pdf
• Тип: Методические указания; #1124798
• страница: 4 из 9

Тема №5. (4 часа). Теоретические основы исследования сырья, составов и технологии
керамических стеновых изделий на основе теорий о закономерностях протекания
процессов получения строительных материалов с учетом энерго и ресурсосбережения,
экологических и экономических аспектов
В настоящее время сформировалась необходимость расширения сырьевой базы производства керамических стеновых материалов, в том числе за счет использования некондиционных суглинков, опал-кристобалитовых пород – опок [1], а также различных техногенных продуктов и отходов. Вовлечение в производство нетрадиционных видов сырья требует разработки инновационных технологий. В ряде работ [2–4] отмечается, что истощение запасов высококачественных глин и каолинов, особенно в производстве фаянсовой и санитарно-строительной керамики, обусловливает необходимость применения низкосортных местных глинистых пород или сырьевых материалов, которые не использовались в полной мере из-за низкого качества продукции, получаемой на их основе. Значительное количество российских и зарубежных исследований посвящено использованию добавок армирующе- упрочняющего действия, в частности, цеолитовых и волластонитосодержащих пород, которые способствуют повышению эксплуатационных свойств строительных керамических материалов [5, 6].
Для получения продукции высокого качества из низкосортного глинистого сырья необходима разработка новых эффективных способов, обеспечивающих получение продукции с заданными технико-эксплуатационными и декоративными свойствами. Как известно, в развитии научных основ керамики большое внимание уделялось технической керамике, а не строительной. До настоящего времени в научной и учебной литературе, содержание и сущность спекания сводятся к описанию объемных изменений, способов спекания и механизма изменения плотности и усадки керамических изделий. Эти процессы могут объяснить сущность спекания технической керамики, протекающей главным образом без химических реакций. Поэтому до настоящего времени существуют противоречивые мнения как о физико-химических процессах, протекающих при обжиге, так и о фазовом составе, в частности, керамического кирпича. Научная сущность спекания большой группы традиционной керамики на основе глиносодержащих масс, в том числе строительной керамики, особенно в условиях низкотемпературного обжига до 1100
о
С, характеризуется более сложной совокупностью физических, химических и физико-химических процессов, предопределяющих образование структуры керамического камня и его свойств. При этом под структурой следует понимать не только плотность и строение керамического камня, но и совокупность фазового состава, формирующегося на стадии спекания. Именно поэтому установление физико-химической сущности процессов, протекающих при спекании, и основополагающих факторов, определяющих возможность управления формированием фазового состава и структуры керамических материалов и их свойствами для разработки инновационных технологий на основе сырьевых материалов с непостоянными химико- минералогическим составом и технологическими свойствами, является исключительно актуальной научно-технической задачей. В статье описаны инновационные способы получения стеновых керамических изделий, в том числе лицевого кирпича на основе глинистых и глинистоизвестковых пород с различным содержанием Fe
2
O
3
. Как известно, в технологии керамического кирпича наиболее распространен низкотемпературный (до 1000
о
С) обжиг в окислительной среде, который обусловливает физико-технические свойства и цвет.
При обжиге малоизвестковистых каолинитогидрослюдистых глин Владимировского месторождения Ростовской области и гидрослюдистомонтмориллонитовых глин Губского

месторождения Краснодарского края с содержанием Fe
2
O
3
=4,5–5,5% формируется следующий фазовый состав, определенный рентгенофазовым и петрографическим методами: кристаллические фазы β-кварца и гематита α-Fe
2
O
3
в количестве около 10% и 3% соответственно. Остальное – рентгеноаморфные метакаолинит Al
2
O
3
.SiO
2
и стеклофаза, образующаяся из расплава и выполняющая роль связки, способствующей формированию конгломерата, который обеспечивает прочность керамического кирпича. Таким образом, основной фазой в структуре керамического камня на основе малоизвестковистых глин в количестве около 75% является псевдокристаллический метакаолинит, представляющий собой сильно аморфизированный продукт [7], что не обеспечивает получение керамического кирпича повышенных марок. Керамический кирпич на основе шихт подобных глин с повышенным содержанием карбонатных компонентов (10–20% СаСО
3
) имеет несколько отличающийся фазовый состав. На основе метакаолинита при взаимодействии с СаСО
3
образуются кальций содержащие кристаллические фазы – геленит или анортит. Образование этих кристаллических фаз, безусловно, способствует повышению прочности кирпича. Также в связи с образованием твердого раствора этих фаз с Fe
2
O
3
происходит частичная нейтрализация окрашивающего влияния Fe
2
O
3
, так как коэффициент отражения (КО)
Fe
2
O
3
=6,5%, а образующихся фаз около 35%. Учитывая, что для керамического кирпича, особенно лицевого, важны не только физико-технические свойства, но и цвет, то при разработке инновационных технологий стеновой керамики одним из эффективных способов управления является характер окислительновосстановительной среды обжига. Установлено
[8, 9], что для получения проектируемого цвета кирпича необходимо обеспечить только окислительную среду, обусловливающую светлобежевую или розовую окраску керамического камня с содержанием Fe
2
O
3
не более 2% или красную, краснокоричневую с содержанием Fe
2
O
3
более 4%. Создание восстановительной среды при обжиге обусловливает частичное восстановление Fe
2
O
3
до FeO с образованием феррошпинели черного цвета.
Поэтому для получения кирпича темных тонов до черного необходимо создавать в конце зоны спекания туннельной печи стабильную сильно восстановительную среду за счет изменения соотношения газ–воздух в сторону преобладания газа. Авторами впервые в технологии керамики, установлены конкретные качественные и количественные показатели, как самостоятельных железосодержащих фаз, так и в виде твердых растворов и в стеклофазе прецизионным высокочувствительным к Fe методом ядерной гаммарезонансной спектроскопии (ЯГРС) (см. рисунок). Расчетами на ЭВМ приведенных спектров определены параметры компонент δ, ∆ЕQ, Г и Нэфф., на основе которых с высокой точностью и достоверностью иденти фицированы: кристаллографическая позиция ионов Fe, рамического камня. Результаты исследований представлены в табл. 1. Таким образом, в окислительных условиях обжига глинистого сырья с содержанием Fe
2
O
3
более 5% независимо от состава железосодержащих примесей при обжиге образуются следующие фазы и ионы Fe3+ в составах: гематит α-Fe
2
O
3
и ионы Fe
3
+ в структуре стеклофазы и метакаолинита. В восстановительной среде за счет частичного восстановления Fe3+ до Fe2+ образуются: феррошпинель Fe
2
+Fe
2
О
3
+O
4
(магнетит-(Fe3O4)), фаялит Fe2SiO
4
; не восстановленная часть
Fe
3+
фиксируется в виде гематита α-Fe
2
O
3
и в стеклофазе и метакаолините. Регулирование окислительно-восстановительной среды обусловливает возможность управления физикохимическими процессами, происходящими при низкотемпературном обжиге и получения керамического кирпича проектируемого фазового состава и структуры, обеспечивающие его повышенные физико-технические свойства и заданный цвет. Реализация разработанной технологии рекомендуется энергосберегающим инновационным способом с применением редукционного обжига в туннельных печах в конце зоны спекания, обеспечивающего автоматическое регулирование в любом соотношении газ воздух в зависимости от содержания Fe
2
O
3
. Разработка и применение инновационных способов управления свойствами изделий тонкой строительной керамики также связана с использованием новых сырьевых материалов и установлением закономерностей изменения свойств в зависимости от вида керамической массы (фаянс, полуфарфор, фарфор), их фазового

состава и структуры, содержания хромофорных примесей, фазового состава и кристаллохимического состояния их в керамическом камне, окислительно-восстановительных условий и температуры обжига. В этой группе керамических материалов и изделий разработаны и существуют высокотехнологичные и высокопроизводительные скоростные линии, обеспечивающие получение конкурентоспособной продукции. Однако при производстве фаянсовых изделий различного назначения (керамическая плитка, изделия культурно-бытового назначения и др.) в связи с уменьшением запасов высококачественных беложгущихся глин широко используются глины с содержанием Fe2O3>2%, окрашивающие керамический камень в цвета от светло-бежевого до темно-красного. На основе такого глинистого сырья получить керамический камень белого цвета достаточно сложно. Для внедрения инновационных технологий недостаточно и противоречиво представляются теоретические основы их белизны и окрашивания. В связи с этим исключительно важным является знание научных основ получения этих материалов и изделий с высокой белизной и возможностью нейтрализации их окрашивания. Это обеспечивается управлением создания проектируемого фазового состава и структуры, обеспечивающих невозможность образования самостоятельных железосодержащих фаз (гематита, фаялита и др.) имеющих низкий КО и нейтрализацию окрашивающего влияния Fe
2
O
3
посредством его внедрения в менее окрашиваемые кристаллические фазы и стеклофазу. Так, в процессе обжига фаянсовых изделий из глинистых и полевошпатовых массс повышенным содержанием Fe2O3, температура обжига которых составляет 1050–1200
о
С, формируются кристаллическая фаза, представленная β-кварцем и β-кристобалитом, гематитом α-Fe
2
O
3
, муллитом 3Al
2
O
3
∙2SiO
2
, а также рентгеноаморфная фаза – метакаолинит Al
2
O
3
∙SiO
2
и стеклофаза, количество которой зависит от содержания плавней в массе и щелочных компонентов в сырье и обеспечивает физико-механические свойства материалов. Главным отличием фазового состава фаянсовых масс с повышенным содержанием Fe
2
O
3
является образование значительного количества свободного гематита α-Fe
2
O
3
, КО которого составляет 6,5%, что значительно ниже, чем КО других, в том числе железосодержащих фаз фаянса, что и повышает белизну фаянсового керамического камня. В связи с этим с целью повышения эксплуатационных свойств и снижения окраски фаянсовых изделий в производстве, например, керамической облицовочной плитки, в состав масс вводят кальцийсодержащие материалы в виде мела и доломита для синтеза силикатов или алюмосиликатов Са (анортита, волластонита), КО которых в несколько раз выше КО Fe
2
O
3
(табл. 2). Кроме того, регулирование окраски возможно за счет повышения температуры обжига или ввода щелочесодержащих компонентов, которые способствуют образованию дополнительного количества расплава, в котором растворяется значительная часть Fe, что также способствует осветлению керамического камня. В производстве фарфора одним из основных факторов увеличения белизны считают обеспечение восстановительной среды при обжиге в интервале температуры 1050–1250
о
С. В ней Fe3+ восстанавливается до
Fe2+ и при взаимодействии с [SiO4]4 – FеО образует фаялит Fe
2
SiO
4
, что подтверждено ЯГР спектроскопией. Однако в процессе формирования фазового состава фарфора по технологии с участием большого количества расплава образовавшийся фаялит плавится при t=1214оС и не может кристаллизоваться из него в связи с легкоплавкостью, низким содержанием оксидов
Fe и высокой вязкостью расплава (104–107 Па∙с). Образовавшиеся ионы Fe2+ как за счет реакции диссоциации Fe
2
O
3
, так и в результате действия восстановительной среды, растворяются в расплаве, и при ограниченном низком содержании Fe
2
O
3
(не более
0,5%)кристаллизация самостоятельных железосодержащих фаз невозможна. Ионы Fе3+ и
Fe2+ фиксируются в расплаве и входят в структуру стеклофазы. Эффективность создания слабовосстановительной газовой среды при обжиге фарфора с низким содержанием Fe
2
O
3
несомненна в связи с положительным влиянием ее на интенсификацию процесса спекания, а также с образованием в стеклофазе группировки Fe3+–O–Fe2+, придающий фарфору голубоватый оттенок, что обеспечивает физическое осветление стекла. Таким образом, инновационные способы управления фазовым составом и структурой, их проектирование с учетом содержания железистых и других окрашивающих примесей, создание определенных

технологических способов при обжиге и охлаждении позволяет получать строительные керамические материалы с высокими эстетико-потребительскими свойствами.
Тема №6. (4 часа). Эффективные технологические приемы при производстве
неорганических вяжущих веществ и изделий на их основе с учетом энерго и
ресурсосбережения, экологических и экономических аспектов
1.2 Технологии экономии цемента
Цемент - один из наиболее широко применяемых, важных и дефицитных строительных материалов, и хотя в нашей стране ежегодно выпускается достаточное количество цемента, его нехватка постоянно ощущается. Причина не только в том, что масштабы строительства огромны - в большей степени дефицит цемента зависит от его излишнего расхода при приготовлении бетонов и растворов, от сверхнормативных его потерь при транспортировке и хранении.
Одна из главных причин перерасхода цемента - необеспеченность высококачественными заполнителями и потеря им активности при неудовлетворительном хранении.
Высокоактивные цементы при хранении в открытом виде (не в герметичной таре) быстро вступают в реакцию с содержащейся в воздухе влагой, в результате чего их марка снижается.
Неудовлетворенно обстоит дело и с транспортированием цемента. Перевозка цемента в крытых вагонах, навалом приводит при его разгрузке и перегрузке к значительным потерям.
К тому времени, когда цемент дойдет до смесителя, потери его превышают нормативные
(равные 1%)в несколько раз.
Специалисты считают, что можно сократить расход цемента (и при этом повысить качество и долговечность конструкций), если приготовлять бетон из чистых фракционированных заполнителей. Организация производства таких заполнителей потребует значительных капиталовложений, но для народного хозяйства это значительно выгоднее по сравнению с затратами на ремонты и замену железобетонных конструкций, часто выходящих из строя значительно раньше сроков, на которые рассчитана их эксплуатация. В зарубежной строительной практике ни одна фирма не производит бетон на заполнителях одной фракции
5-20 мм. Например, в Финляндии он готовится на четырех фракциях чистого крупного заполнителя и двух фракциях - мелкого. При этом однородность выпускаемого бетона настолько высока, что его прочность определяется по испытанию одного образца: фирма, производящая бетон, гарантирует его марочную прочность.
Мощным средством экономии цемента являются химические добавки, и в первую очередь пластификаторы. До недавнего времени в нашей стране в качестве пластифицирующих добавок применялись разного рода отходя промышленности. Как правило, эффект от действия таких добавок был невысок, их химический состав часто не стабилен. Отечественная промышленность специально для бетонов начала выпускать эффективную пластифицирующую добавку - суперпластификатор С-3, которая по своему действию не уступает лучшим зарубежным образцам аналогичного класса, а по стоимости в
5-6 раз дешевле. При введении в бетон этой добавки можно сэкономить до 20% цемента (при неизменной пластичности бетонной смеси). Не снижая расход цемента и не увеличивая пластичности бетонной смеси, но снизив ее водоцементное соотношение, можно повысить прочность бетона на 20-25%.
Эффективность цемента можно повысить (а, следовательно, снизить его расход), увеличив тонкость его помола. На предприятиях сборного железобетона, для того, чтобы бетон как можно скорее достиг распалубочной прочности, часто идут на завышение марки бетона путем увеличения расхода цемента. Можно избежать этого, если использовать вяжущее более тонкого помола: на таком вяжущем твердение бетона в раннем возрасте производит быстрее. Можно сэкономить цемент и другим путем: ввести в цемент песок, известняк или какой-либо другой наполнитель и с ним осуществить домол цемента. Однако, как показывают исследования, при этом марка вяжущего снижается, хотя и не совсем в прямой

пропорции от количества введенного заполнителя. Для получения бетона марок до 200 и даже выше такое вяжущее вполне приемлемо. В зависимости от количества введенного заполнителя
(30-50%) можно сэкономить до 50% цемента. Эффект может еще большим, если применить суперпластификаторы.
Определенные резервы уменьшения расхода цемента имеются в раздельной технологии приготовления бетонной смеси. Хотя этот метод давно известен, однако до сих пор не нашел применения в технологии бетона. Для получения желаемого эффекта прежде всего необходимы высокоскоростные смесители емкостью, соответствующей количеству раствора, необходимого на один замес бетонной смеси в обычном смесителе.
В Японии раздельный метод приготовления бетона применяется с успехом.
Компактный турбулентный смеситель, необходимый для такого метода, смонтирован там непосредственно на основном бетоносмесителе, и их производительность полностью увязана между собой.
Отмечается, что один из больных вопросов проблемы экономии цемента - его потери при транспортировании, хранении, значительно превышающие нормативные. Нельзя допускать доставку цемента в вагонах навалом, разгружать его вручную, хранить навалом под навесами и в сараях, транспортировать с большим количеством перегрузок с одного вида транспорта на другой. Особенно велики потери цемента при доставке в районы, где нет железных дорог и его приходится перегружать с железнодорожного транспорта на речной, а затем на автотранспорт. Этого можно избежать, если в такие районы доставлять не цемент, а цементный клинкер, качество которого не теряется при транспортировании и хранении.
Имеются и другие пути экономии цемента - применение высококачественных форм для контрольных образцов, учет последующего нарастания прочности бетона, рациональные подборы составов бетонов и растворов, применение автоматических устройств по дозированию составляющих и т.д. Если все это внедрить в производство и правильно использовать, проблема дефицита цемента была бы снята, так как это дало бы дополнительно не менее 30% цемента от производимого его объема.
1.3 Зарубежный опыт ресурсосберегающих технологий
В зарубежном промышленном и гражданском строительстве бетон и железобетонные конструкции прочно занимают ведущее положение по сравнению с другими материалами и конструкциями. Главное, на что направлены внимание и усилия фирм, - обеспечить высокое качество изготовляемых и возводимых конструкций. Только с учетом этих требований они разрабатывают технологические решения, требующие наименьших затрат труда, энергии и материалов. За рубежом экономия ресурсов ни в коем случае не должна нанести ущерб качеству и долговечности конструкций. Особое внимание уделяется качеству цемента и заполнителей.
В США для приготовления бетонов и растворов довольно широко применяются расширяющиеся цементы, позволяющие получать изделия высокого качества, надежные и водонепроницаемые. Любопытно, что в основу разработки такого цемента легли исследования нашего ученого, профессора В.В. Михайлова, который предложил такие вяжущие еще в довоенное время (в отечественной практике они так и не нашли применения вплоть до 60-х годов, когда стало известно о их производстве в США). Некоторые из таких цементов носят название "М" в честь первой буквы фамилии В.В.Михайлова.
Как правило, фирма, выпускающая цемент, гарантирует его высокое качество и стабильность состава. Так, во Франции на мешках с цементом указываются не только его цена, но и состав, и все необходимые свойства. Во избежание путаницы и случайностей на производстве на мешках с цементом ставится цветной штамп, удостоверяющий их содержимое (портландцемент, рапид-цемент и др.). Каждый вид цемента маркируется своим цветом (красным, синим, зеленым и др.). Это полностью исключает ошибки, которые могут привести к браку конструкций.
Особое внимание за рубежом уделяется химическим добавкам. В наибольшем объеме производятся добавки - суперпластификаторы (мельмент и др.). По своему действию они

близки к нашему суперпластификатору С-3, однако стоимость их в несколько раз выше.
Однако, для получения бетонной смеси требуемой подвижности, помимо суперпластификатора, нужны еще фракционированные заполнители, хорошая система дозирования компонентов и строго выдерживаемый состав смеси.
На заводских бетоносмесительных узлах в Финляндии, Франции и Германии, а также в других странах, действуют компьютерные системы. Оператор, находясь в специально оборудованном помещении, полностью изолированном от бетоносмесительного отделения, имеет набор перфокарт, рассчитанных не менее чем на 50 разновидностей бетонных смесей.
Как только подошел очередной автобетоновоз, водитель по телефону сообщает оператору свои данные: какая смесь и в каком количестве ему нужна, название фирмы-потребителя и т.п.
Оператор вводит в компьютер необходимые данные, после чего автоматически включаются дозаторы и смесители. Автобетоновоз без всякого промедления ставится под загрузку. После выдачи бетонной смеси оператор по передаточной трубе спускает водителю свернутый в трубочку счет, в котором компьютер отпечатал состав смеси, марку бетона, его количество и стоимость. Обычно вся операция занимает не более пяти минут.
За рубежом экономному расходованию ресурсов подчинена вся организация строительства, начиная с обеспечения строек бетоном и раствором и методы энергосберегающих технологий, применяемых в зарубежной практике, весьма рациональны и с точки зрения затрат материальных ресурсов, и обеспечения высокого качества конструкций и изделий.