Исследования влияния усилия прессования на прочность гиперпрессованного кирпича

Технология гиперпрессования представляет собой один из наиболее перспективных методов производства искусственных строительных материалов, сочетающий экологичность, энергоэффективность и возможность утилизации промышленных отходов. Ключевым технологическим параметром, определяющим качество готовой продукции, является величина давления прессования. Правильный выбор станка с оптимальным усилием прессования позволяет достичь максимальных прочностных характеристик изделий при минимальных энергозатратах и избежать таких негативных явлений, как упругое последействие или раздробление заполнителя. Настоящий материал обобщает результаты комплексных исследований влияния прессующего усилия на физико-механические характеристики гиперпрессованных изделий на основе различных карбонатных заполнителей.

Прочность гиперпрессованного кирпича предопределяется прочностью цементного камня, которая зависит от прочности связей в кристаллогидратных комплексах, плотности их упаковки в занимаемом объеме, прочности контактов между структурными составляющими, а также характера и размеров капиллярно-порового пространства.

При уплотнении прессованием на стадии образования коагуляционной структуры удаляется часть несвязанной воды, происходит сближение твердых частиц цемента, что приводит к увеличению плотности и прочности готовых изделий. Раннее нагружение цементной смеси способствует формированию более совершенной структуры и ускоренному набору прочности.

Рис. 1. Зависимость прочности (1) и плотности (2) цементного камня от прессующего давления

Пористость имеет определяющее влияние на набор прочности цементного камня. Снижение пористости приводит к повышению прочности, при этом с пористостью тесно связана плотность материала. Установлена линейная зависимость между прочностью прессованного цементного камня и его полной пористостью.

При формовании давление через пуансоны передается на порции смеси, находящиеся в формовочных гнездах. Однако давление на горизонтальные слои смеси по мере их отдаления от пуансонов уменьшается вследствие внутреннего трения (между зернами) и внешнего трения (о стенки формы).

При соприкосновении формующего пуансона с сыпучим материалом вначале уплотняется прилегающий слой за счет раздвигания более крупными зернами мелких частиц и сближения их между собой. Затем давление постепенно передается последующим слоям и уменьшается, что приводит к неодинаковой плотности сырца по высоте и сечению.

Рис. 2. Вид отдельных слоев сырца при одностороннем прессовании

Характерно, что сырец более уплотнен у стенок формы, чем посередине, и менее всего уплотнен слой, находящийся у противоположного пуансона. При двухстороннем прессовании распределение плотности по высоте значительно улучшается, а по сечениям остается неравномерным.

Так как прочность определяется характеристиками наименее уплотненного слоя, состав смеси и формовочное давление следует подбирать из расчета получения достаточной плотности именно в этих слабых зонах. Далее рассмотрим экспериментальные исследования влияния давления прессования на прочность кирпича.

Проведено исследование влияния увеличения прессующего усилия в диапазоне 15-30 МПа при использовании комбинированного заполнителя на основе отсева карбонатных пород и природного кварцевого песка. В качестве объектов исследования выбраны составы с различным содержанием отсева (от 0 до 100%) и цемента (20-50% от массы сухих компонентов) при влажности смесей 13%.

Рис. 3. Влияние величины давления прессования кирпича на предел прочности при сжатии сырья в сухом состоянии

Результаты показали, что при увеличении давления прессования с 15 до 30 МПа прочность образцов в сухом состоянии возрастает, однако темп роста замедляется при превышении определенных значений давления.

Рис. 4. Влияние величины прессующего давления на предел прочности при сжатии полученного камня в водонасыщенном состоянии

Анализ прочности в водонасыщенном состоянии выявил более выраженную зависимость от величины прессующего давления, что связано с уменьшением пористости и улучшением структуры контактной зоны между заполнителем и цементным камнем.

Исследовано влияние величины прессующего давления (18, 21 и 24 МПа) на формирование свойств гиперпрессованного материала на основе отсевов Памашъяльского карьера Республики Марий Эл с содержанием цемента 10% и модифицирующей добавкой КТ Трон-51 в количестве 1% от массы цемента. 

Рис. 5. Гранулометрический состав отсева Памашъяльский карьера Республики Марий Эл

Фазовый состав отсева: кальцит — 81%, доломит — 12%, глинистые минералы — 5%, полевые шпаты — 1%, кварц — 1%. Радиоактивность материала соответствует I классу (Аэфф < 370 Бк/кг), что подтверждает экологическую безопасность.

Рис. 6. Рецептура составов сырьевой смеси гиперпрессованного кирпича

Рис. 7. Результаты экспериментальных исследований гиперпрессованного кирпича

Рис. 8. Зависимость предела прочности кирпича при сжатии от величины прессующего давления

Анализ показал, что при увеличении прессующего давления предел прочности при сжатии образцов (как модифицированных, так и контрольных) растет незначительно и в равных пропорциях. Формование при высоких значениях давления нецелесообразно с точки зрения энергозатрат и себестоимости.

Рис. 9. Влияние величины прессующего давления на прочность кирпичей при сжатии в сухом состоянии

В сухом состоянии увеличение прессующего давления не привело к существенному росту прочности ни в контрольных, ни в модифицированных образцах.

Рис. 10. Зависимость прочности при сжатии гиперпрессованных образцов в водонасыщенном состоянии от величины давления прессования

Иная картина наблюдается для образцов в водонасыщенном состоянии: увеличение давления с 18 до 24 МПа способствовало росту прочности на 29% для немодифицированных и на 18% для модифицированных образцов. Введение добавки КТ Трон-51 обеспечило прирост прочности в водонасыщенном состоянии на 19%, 15% и 9% при давлениях 18, 21 и 24 МПа соответственно.

Огромное влияние на прочность оказывает величина давления прессования. Существует оптимальное давление, при превышении которого происходит снижение прочности из-за каркасирования крупного заполнителя (раскалывания зерен) и возникновения деформации упругого последействия.

Проведены исследования при расходе цемента 350 и 580 кг/м³. При расходе 350 кг/м³ наблюдается незначительное увеличение прочности, а при интенсивности более 12 МПа происходит резкий спад. Вследствие недостатка цемента давление воспринимается зернами заполнителя, что приводит к их раздроблению без соответствующего уплотнения цементного геля.

Рис. 11. Зависимость прочности на сжатие (1) и плотности (2) прессованного бетона от давления прессования

Увеличение давления свыше 30 МПа оказывает незначительное влияние на прочностные характеристики, что связано с развитием деформации упругого последействия при высокой интенсивности прессования.

При интенсивности 5-10 МПа и продолжительности 15 секунд прочность увеличивается в 1,3-1,65 раза.

Исследования, проведенные во ВНИИстроме, показали, что прочность кирпича-сырца при сжатии повышается медленнее, чем давление прессования.

Рис. 12. Влияние удельного давления на свойства кирпича-сырца: 1 - прочность; 2 - средняя плотность

При увеличении давления вдвое прочность повышается только на 37%. Это объясняется тем, что от давления зависит число контактов между частицами и размер промежутков, обусловливающих прочность сцепления за счет молекулярных сил и механического зацепления, которые составляют лишь 20-30% прочности сырца.

Для автоклавных силикатных изделий картина иная: при повышении давления с 10 до 40 МПа прочность запаренных образцов возросла в 3,2 раза (прочность сырца в том же диапазоне растет только в 1,8 раза).

Рис. 13. Влияние удельного давления прессования: а - на прочность запаренных лабораторных образцов (1) и связывание извести (2); б - на прочность полнотелого кирпича (1) и пустотелых камней (2)

С увеличением давления растет количество связанной извести, что свидетельствует о более интенсивном образовании цементирующего вещества.

На действующем предприятии по производству силикатного кирпича разрабатывалась технология утилизации отходов дробления известняка (фракция менее 5 мм) для производства гиперпрессованных изделий.

Рис. 14. Зерновой состав известнякового песка

Характеристики заполнителя:

• насыпная плотность ρнас = 1430 кг/м³
• истинная плотность ρист = 2660 кг/м³
• модуль крупности Мк = 2,31 (мелкий песок)

Портландцемент соответствовал классу ЦЕМ II А-Ш 32,5 Н с прочностью 39,7 МПа в возрасте 28 суток.

Формовались образцы-цилиндры диаметром и высотой 5 см при давлениях 60-100 МПа и содержании цемента 10-20%. Твердение осуществлялось в камере ТВО по режимам 1-6-1 и 2-4-2 при температурах 60 и 80°С.

Рис. 15. Зависимость прочности при сжатии гиперпрессованных образцов от удельного давления прессования и количества цемента после камеры ТВО (1-6-1 при 60°С)

Рис. 16. Зависимость прочности гиперпрессованных изделий от удельного усилия прессования и количества цемента после камеры ТВО (1-6-1 при 80°С)

Наибольшее влияние на прочность оказывает содержание вяжущего. Влияние температуры наиболее выражено при давлении 100 МПа и содержании цемента 20%. Режим при 60°С позволяет достичь большей прочности (22-30 МПа) при давлениях 60-80 МПа, превышая на 5-10% прочность образцов, твердевших при 80°С.

Рис. 17. Зависимость прочности гиперпрессованных образцов от удельного давления прессования и количества вяжущего после камеры ТВО (2-4-2 при 60°С)

Рис. 18. Зависимость прочности прессованных изделий при сжатии от удельного давления прессования и количества цемента после камеры ТВО (2-4-2 при 80°С)

При режиме 2-4-2 и температуре 60°С наблюдается сохранение прочности на одинаковом уровне при расходе цемента 15-20%. Шестичасовая изотермическая выдержка позволяет получить более прочные образцы, при этом увеличение температуры с 60 до 80°С не дает значительного прироста прочности.

Величина давления прессования, как показали представленные исследования, является лишь одним из параметров сложной многофакторной системы формирования структуры гиперпрессованного материала. Достижение оптимальных физико-механических характеристик готовых изделий определяется комплексным взаимодействием технологических, рецептурных и структурных факторов. Эффективность прессования зависит не только от абсолютного значения прикладываемого усилия, но и от способности формовочной смеси воспринимать это усилие, равномерно распределять его по объёму и сохранять достигнутую плотность после снятия нагрузки. Ключевыми параметрами, определяющими результативность процесса уплотнения, являются гранулометрический состав заполнителя, влажность смеси, содержание и активность вяжущего, способность материала к упругому восстановлению объёма после распрессовки. Рассмотрим детально влияние каждого из этих факторов на конечные свойства прессованных изделий и возможности управления процессом структурообразования через их целенаправленное регулирование.

Степень уплотнения зависит от зернового состава, косвенно определяемого модулем крупности. Для сухого материала она не зависит от крупности, тогда как для увлажненных (5%) она значительно больше и уменьшается с увеличением модуля крупности.

Влажный мелкозернистый отсев имеет больше контактов между зернами, образует при засыпке арки и мостики, создающие повышенную начальную пористость, которая уменьшается при формовании. Однако это увеличивает количество запрессованного воздуха и риск «перепрессовки».

Многочисленными исследованиями установлена линейная зависимость между плотностью готовых изделий и их прочностью. Повышение плотности оказывает даже большее влияние, чем увеличение рабочей поверхности частиц.

Для достижения достаточной плотности при использовании мелкозернистых однородных отсевов требуется весьма большое удельное давление и длительность приложения нагрузки. При низком давлении и коротком цикле целесообразно корректировать зерновой состав путем использования отсевов различной крупности или добавок.

Отличительная особенность технологии — проявление упругого последействия в момент снятия давления, приводящее к нарушению структуры и снижению прочности. После достижения критического уплотнения при выпрессовке возникает расширение, приводящее к горизонтальным расслоениям.

Снижению деформации упругого последействия способствует уменьшение водоцементного отношения путем введения суперпластификаторов (например, С-3), которые:

• оседают на поверхности частиц, снижая коэффициент трения;
• вызывают пептизацию, ускоряющую гидратацию;
• уменьшают объем межзернового пространства и пористости;
• формируют структуру с меньшим объемом крупных пор, повышая водонепроницаемость и морозостойкость

Другой способ — дисперсное армирование высокомодульными (базальтовыми) волокнами в количестве 1-5% от расхода цемента. Фибры являются поверхностями раздела фаз, на которых опережающими темпами происходит формирование структурных новообразований, что обеспечивает:

• мгновенное увеличение прочности смеси;
• повышение устойчивости макроструктуры;
• рост прочности при сжатии в 1,2-1,4 раза;
• повышение прочности на растяжение и трещиностойкости;

Однако повышение дозировки волокна более 1,5% приводит к снижению характеристик и росту дефектности структуры.

На основании проведенных комплексных исследований можно сформулировать следующие выводы:

• Оптимальный диапазон давления прессования для большинства составов составляет 18-24 МПа. Дальнейшее увеличение давления нецелесообразно с точки зрения энергозатрат и может привести к раздроблению заполнителя и упругому последействию.
• Для малоцементных составов (10% цемента) на отсевах карбонатных пород оптимальное давление составляет 18 МПа, что позволяет получить прочность до 18 МПа при естественном твердении.
• Влияние давления на прочность в водонасыщенном состоянии более выражено, чем на прочность в сухом состоянии. Увеличение давления с 18 до 24 МПа дает прирост прочности в водонасыщенном состоянии до 29%.
• Химические модификаторы (КТ Трон-51) наиболее эффективны при твердении в водной среде и умеренных давлениях прессования (18 МПа), обеспечивая прирост прочности до 19%.
• Тепловлажностная обработка по режиму 1-6-1 при температуре 60°С более эффективна, чем режим при 80°С, для давлений 60-80 МПа и обеспечивает прочность 22-30 МПа.
• Содержание цемента оказывает большее влияние на прочность, чем величина давления прессования. При недостаточном количестве цемента (<15%) высокое давление может быть вредным.
• Корректировка зернового состава заполнителя позволяет повысить эффективность прессования при умеренных давлениях и является более рациональным решением, чем увеличение усилия прессования.
• Двухстороннее прессование улучшает распределение плотности по высоте изделия, но не устраняет неравномерность по сечению.
• Снижение упругого последействия достигается уменьшением В/Ц за счет суперпластификаторов и дисперсным армированием волокнами (оптимально до 1,5% от массы цемента).
• Для практического производства рекомендуется состав с содержанием цемента 10%, давлением прессования 60 МПа, режимом ТВО 1-6-1 при 60°С, обеспечивающий оптимальное соотношение прочности и энергозатрат.

Применение этих рекомендаций позволяет разрабатывать эффективные технологии производства гиперпрессованных изделий с оптимальными физико-механическими характеристиками при минимальных энергетических и материальных затратах.