Однією з важливих складових при виробництві бетонних сумішей є інертний заповнювач. Найпоширенішим інертним заповнювачем в нашій країні є пісок. Питання якості піску, при виробництві будівельних матеріалів як правило, не заслужено відсуваються на другий план. Але, тим не менше, ці питання найчастіше є одними з найбільш важливих, особливо при виробництві теплоефективних будівельних матеріалів, таких як, пінобетон і полістиролбетон. Проблеми економії цементу, міцності бетонних виробів, часто впираються в якість інертного заповнювача.
У цій статті ми розглянемо погляд радянського вченого Йоханеса Хінта на проблему застосування пісків при виробництві будівельних матеріалів, який він описав у книзі «Основи виробництва Силікальцитного виробів».
Частина 1. Властивості поверхні сировинних матеріалів
На процес автоклавного твердіння вапняно-піщаних сумішей впливає характер поверхні зерен піску. Киреенко поділяє зерна природного піску за характером поверхні на вісім груп: гладку матову - поглиблення па поверхні непомітні при середньому збільшенні до 50 разів; гладку напівматову - поглиблення на поверхні непомітні навіть при більшому збільшенні; гладку блискучу - абсолютно гладку; шорстку матову - вся поверхня зерна покрита незначними заглибленнями, помітними при збільшенні в 10-20 разів; шорстку напівматову - вся поверхня зерна покрита незначними точковими поглибленнями, помітними при збільшенні в 40 - 60 разів; шорстку блискучу - на абсолютно гладкій поверхні окремі шорсткості; ніздрювату - поверхні зерна рівномірно покриті невеликими заглибленнями (горбиста поверхню); кавернозную - на зернах спостерігається одне або кілька значних поглиблень (каверн).
Дійсно, важливе значення при виробництві сучасних теплоефективних будівельних матеріалів (пінобетон, полістиролбетон), має якість застосовуваних інертних наповнювачів, а, саме, якість і характер поверхні зерен піску. У разі, якщо поверхня гладенька, адгезія цементу з піском буде меншою ніж, у разі, якщо поверхня піску буде матовою або шорсткою. Цей фактор може в значній мірі впливати на витрату цементу при отриманні виробів однакової міцності. Таким чином, виникає необхідність підбирати пісок з оптимальною поверхнею зерен, або видозмінювати його структуру, шляхом домола в дезинтеграторе. Процеси стирання поверхонь піску, з утворенням микродефектов, що відбуваються при домол, сприяють поліпшенню адгезії зерен піску з цементом, збільшення міцності готових виробів.
Ніздрюватого і каверн можна розглядати як недолік поверхні зерен. Загалом, Киреенко характеризує природні піски наступним чином: «У більшості випадків, на поверхні зерна піску помічаються налиплі найдрібніші частинки мінералів - виходить більш-менш товста оболонка-сорочка. Іноді оболонка розташовується плямами, покриваючи лише частина поверхні. Матеріалом цих оболонок є: глина, вапно, оксиди заліза (лимонит) і т. Д. Товщина оболонки в більшості випадків неоднакова. Оболонки заповнюють всі різкі нерівності на поверхні зерна піску, як би пом'якшуючи зміна контуру. Жовтувато-прозора речовина - глина, буро жовтуватий наліт - водні оксиди заліза. У зерен з ноздреватой поверхнею поглиблення часто заповнені білим або жовтуватим речовиною (можливо глинистим). Каверни зерен піску часто бувають заповнені жовтуватим або буруватим речовиною ».
Про вплив природної оболонки, що покриває зерна піску, на якість цементобетонних монолітів Киреенко пише: «Оболонка вапняна або з оксидів заліза не шкідлива для бетону, так як вона розчиняється і входить до складу цементу, солей вапна і заліза, глиниста ж оболонка може бути шкідлива; вона, щільно облягаючи зерно піску, змочується водою, утворюючи шар, що ізолює зерно піску від склеювання з цементним тестом ... Адгезійні сили між поверхнями зерен глини і піску менше відповідних сил зчеплення з цементним клеєм. Тому хороший пісок з міцним матеріалом зерен, покритий товстою глинистої оболонкою, непридатний для бетонних робіт ».
Мал. 1.а Природний гідронамивний пісок (Мк = 2,2)
Мал. 1.б Той же пісок після обробки в измельчителе - дезинтеграторе «ГОРИЗОНТ-3000МК» ® за один прогін (Мк = 0,57)
Грунтуючись на схемі освіти мікробетоном структури вапняно-піщаних виробів, наведемо деякі принципові точки зору про характер поверхні зерен природних пісків.
1. Для перемішування вапна з зернами піску, склеїлися глинистими і карбонатними сполуками в грудки різних розмірів, необхідно пісок і вапно обробляти в змішувальних агрегатах, таких, як дезинтегратор, який руйнує природну цементацию і звільняє поверхню зерен від плівок.
2. Оболонка на поверхні зерна завжди перешкоджає, фізико-хімічному процесу між частинками вапна і піску при запарюванні. Але оболонка може складатися і з таких з'єднань, які не будуть мати шкідливого впливу на процес. Однак питання про таких з'єднаннях поки не з'ясований. З цього технологія приготування вапняно-піщаних сумішей повинна у всіх випадках звільняти зерна піску від оболонок.
3. При виготовленні вапняно-піщаних виробів зерна піску є в процесі виникнення новоутворень активними компонентами, тому форма зерен з точки зору якості виробів має важливе значення. Як відомо, з круглозернистого піску не виходить таких міцних вапняно-піщаних монолітів, які може дати пісок з незграбними зернами. Молекулярні сили твердої речовини знаходяться на круглій поверхні в більшій рівновазі, ніж на гранях. Отже, куляста поверхню зерен є саме інертною, і виробництво якісних Силікальцитного матеріалів з такого піску найбільш трудомістким. Піски з острограннимі і незграбними зернами більш придатні для виготовлення Силікальцитного виробів, ніж піски з напівкруглими і круглими зернами. Шорсткі матові поверхні зерен з тих самих міркувань повинні бути більш придатними, ніж гладкі блискучі.
4. Від активності речовини поверхні зерен залежить швидкість і повнота процесів утворення міцної структури моноліту.
Якщо молекули речовини зерен природного піску інертні (з точки зору автоклавного процесу), то після механічного дроблення зерен речовина нових поверхонь має молекули активні.
На фотографіях пісків під мікроскопом при збільшенні в 40 разів (рис. 1.а, 1, б) добре видно характер зміни поверхні піску після обробки на измельчителе-дезинтеграторе «ГОРИЗОНТ-3000МК» ®. Окатанні гранули набули чітких незграбні обриси. Зміна кольору піску сталося внаслідок очищення поверхні зерен від небажаних утворень. Змінився і характер поверхні, в місце блискучою і гладкою, вона стала матовою і шорсткою. Відсоток подрібнення піску склав 77%. Всі ці чинники позитивно позначаться на фізико-механічні характеристики виробів, в яких буде застосований мелений пісок.
Властивості поверхні зерен природного піску після обробки в дезинтеграторе майже не впливають на якість сумішей, так як в процесі дезінтегрованість поверхню зерен багаторазово зростає. Якщо, наприклад, при обробці в дезинтеграторе піску з питомою поверхнею 100 см 2 / г виходить додаткова поверхня 800 см 2 / г, то питома поверхня піску підвищується в дев'ять разів, т. Е. До 900 см 2 / г; при цьому початкова поверхню в обробленому піску складає всього лише 11%. Тому малоймовірно, щоб після такої обробки природні властивості поверхні піску збереглися. Якщо природна поверхня піску становила, наприклад, 600 см 2 / г, а обробка в дезинтеграторе дала приріст поверхні 300 см 2 / г, то первісна поверхня піску складає 67% від сумарної поверхні. Так як нова поверхня піску є більш активною при запарюванні, то міцність зразка повинна бути нижче при більшій площі природного поверхні. Ця різниця в міцності зразків виражається різницею індексів якості.
Про активність молекул поверхні частинок вапна, можна сказати, наступне. При запарюванні частки гашеного вапна і зерна піску утворюють структуру вапняно-піщаних виробів незалежно від того, формуються чи вироби з негашеним або гашеним вапном, тому досить розглянути активність молекул поверхні частинок гашеного вапна. Як було показано, дисперсність частинок вапна після гасіння залежить більшою мірою від хімічного і мінералогічного складу вапняку, від режиму його випалу і режиму гасіння вапна, ніж від того, як размельчаются грудки крейди до гасіння і размельчаются вони взагалі. Роздрібнення вапна до гасіння не робить значного впливу на якість гашеного вапна. Тому помічений зростання міцності силікатної цегли при збільшенні тонкощі помелу негашеного вапна пояснюється тим, що суміші після гасіння вапна недостатньо перемішувалися. Гасіння вапна завжди дає більшу дисперсність, ніж її помел в будь-якому млині, тому гомогенність суміші після гасіння вапна при ретельному перемішуванні повинна бути вище, ніж у сумішей з піску і меленого негашеного вапна.
Немає експериментального матеріалу, що визначає вплив різних способів гасіння на активність поверхні частинок гашеного вапна. Ми встановили, що литі Силікальцитного вироби, виготовлені з гашеним в молоко вапном при інтенсивному змішуванні з великою кількістю води, мали дещо більшу міцність на стиск, ніж ті ж вироби, виготовлені з порошком вапна, гашеного в гідратор з невеликою кількістю води. Не встановлено, що тут впливає на міцність: інша структура поверхні частинок вапна або велика дисперсність, що отримується при гасінні вапна в молоко, що дозволяє мати краще змішання сировинних матеріалів. Останнє більш ймовірно. Для з'ясування, чи змінюються властивості дезінтегрованих сумішей і пісків при дотриманні, ми зробили наступний досвід.
У дезинтеграторе були розмелені дві суміші різної активності і окремо пісок (без вапна). Отримано пісок питомою поверхнею близько 1050 см 2 / г. З обох дезінтегрованих сумішей різних активностей і з двох сумішей, отриманих ручним змішуванням дезінтегрірованного піску з вапном у кількостях, рівних кількості вапна в дезінтегрованих сумішах, було виготовлено по три зразка. Крім того, частина дезінтегрованих сумішей і дезінтегрірованного піску і гашеного вапна поміщали в скляні посудини з вузьким горлом і герметично закривали. Суміші і пісок для виготовлення зразків висушували і поміщали в судини, для зразків інших партій суміші і пісок поміщали в судини з 5% -ної вологістю. Так було приготовлено чотири комплекти скляних посудин. Один комплект був розкритий через тиждень і з зберігалися в них сумішей і піску виготовлені точно такі ж зразки, як з свежедезінтегрірованних сумішей і піску. Інша партія зразків була виготовлена через місяць, третя - через два, четверта - через півроку. Всі зразки мали об'ємний вага 1,8 г / см 3 і запарювати протягом 8 годину при тиску 10 ати. Підйом тиску пара і його зниження виробляли протягом 1 год. Через добу після запарювання зразки відчували на стиск. Результати випробувань наведені в табл. 1.
Спосіб приготування суміші
Активність суміші,% CaO
Суміш вапно і пісок зберігалися в судинах
З табл. 1 видно, що при дотриманні дезінтегрірованного піску в герметичному посудині протягом першого місяця його активність підвищується, це відбувається в більшій мірі у піску, який має 5% -ву вологість. Витримування дезінтегрованих сумішей і піску до 2 міс. помітно не змінює міцності зразків. Після 6 міс. зберігання спостерігається значне падіння міцності, особливо у високоактивних сумішей, що доходить приблизно до 50%. При цьому міцність зразків майже не залежить від того, зберігався чи дезінтегрованих пісок разом з вапном або окремо, у вологому або сухому стані. Тому можна вважати, що падіння міцності викликано, головним чином, падінням активності дезінтегрірованного піску при тривалому зберіганні.
У літературі є багато даних з питання, про вплив гасіння вапна разом з піском на освіту структури виробів. Kosmann вважає, що в цьому випадку вапно надає на зерна піску хімічне дію і вироби дають велику міцність. Але є твердження, що при гасінні вапна з піском виникають реакції настільки слабкі в порівнянні з реакцією, що утворюється при запарюванні, що не роблять ніякого впливу на міцність виробів. Для з'ясування цього питання ми зробили наступний досвід. 20 кг добре перемішаного піску кар'єра заводу «Кварц» ділили на дві рівні частини. Одну частину змішували з такою кількістю вапна, щоб активність суміші була не більшою 6% СаО (вапно попередньо гасили в порошок і зберігали в герметично закритій посудині протягом 15 днів). Іншу частину піску перемішували з меленої негашеним вапном активністю 93% (розмір її частинок після помелу був не більше 0,3 мм) до того ж відсотка активності СаО в суміші. Потім кожну суміш ділили ще на дві частини, з яких одну обробляли в дослідному дезинтеграторе при 1450 об / хв обох кошиків. Суміші з негашеним вапном в бляшаному посудині поміщали в досвідчений автоклав і витримували 45 хв. під тиском пара 5 - 6 ати. Потім всім чотирьом сумішей надавали 6% -ву вологість і знову ретельно перемішували їх. З кожної суміші пресували по п'ять зразків під тиском 200 кг / см 2. Всі зразки запарювали в одному промисловому автоклаві протягом 8 годину, під тиском 10 ати. потім визначали їх міцність на стиск. Результати випробувань наведені в табл. 2.
Досвід підтверджує, що гасіння вапна разом з піском не збільшує міцності зразків. Незначне підвищення міцності зразків, виготовлених з гашеного вапна, в порівнянні зі зразками з негашеним, пояснюється тим, що гашене в порошок вапно набагато дрібнішими меленого негашеного і тому вона більш рівномірно перемішується з піском.
Спосіб приготування суміші
Межа міцності зразків при стисканні кгс / см 2
Середній межа міцності зразків при стисканні кгс / см 2
Природний пісок перемішаний з негашеним вапном; вапно разом з піском погашена в дослідному автоклаві
Природний пісок перемішаний з гашеним вапном
Природний пісок перемішаний з гашеним вапном; суміш оброблена в дослідному дезинтеграторе
Природний пісок перемішаний з негашеним вапном, суміш оброблена в дослідному дезинтеграторе, вапно разом з піском погашена в дослідному автоклаві
Детально це питання досліджував Pohl. Він, порівняв вплив різних способів гасіння вапна на зміну поверхні звичайних зерен піску, шліфованих поверхонь Великих зерен і на зміну міцності виробів і знайшов, що гасіння вапна в суміші з піском не змінює міцності і не впливає на інші властивості виробів.
Це дозволяє зробити висновок, що гасіння вапна з піском не впливає на процес утворення структури виробів.