Изучаем Состав Смеси Для Лего Кирпича

В процессе производства лего кирпича гиперпрессованием важно изучить состав смеси, который оказывает существенное влияние на технико эксплуатационные характеристики готовых изделий. В частности, ряд исследований позволяет сделать вывод о главенствующей роли зернового состава частиц при формировании плотности их упаковки, процесса удаления воздуха при прессовании и т.д.

Помимо зернового состава смеси, определяющими фактором, с точки зрения формирования качественных характеристик гиперпрессованного лего кирпича, по мнению ряда авторов является форма и внутреннее строение минеральных частиц смесей, а также значение прессующего давления и величина контактной поверхности.

Особое место в рассматриваемой теме занимает вопрос количественного содержания воды, которая является неотъемлемой частью состава лего кирпича и характера ее поведения внутри прессуемого материала. Оптимальное содержание воды, как технологической связки, характеризуется, в первую очередь, требуемым уровнем смачивания частиц смеси и как следствие уменьшением сил трения и снижением сопротивления уплотнению смеси. Превышение значения прессующего давления может привести к существенному снижению прочностных показателей производимого изделия. В частности, отмечается, технологическая связка состава смеси при изготовлении лего кирпича с существенной частью объема пор системы, которые при высоком содержании могут лимитировать ее уплотнение. Также важным технологическим аспектом введения воды в состав смеси является тщательное перемешивание, требуемое для обеспечения равномерного распределения жидкости по всему объему смеси. Характерный пример проявления неравномерного распределения воды по объему смеси состоит в резко повышенной влажности крупных зерен порошков для производства строительной керамики по сравнению с мелкими.

Анализ литературных источников относительно структуры и свойств воды в тонких пленках, показывает, что при уменьшении толщины пленок воды свойства последней постепенно приближаются к свойствам твердых тел.

Еще одной отличительной технологической особенностью процесса прессования является расширение материала в направлении хода штампа после снятия давления, а также в боковые стороны, после извлечения лего кирпича из пресс матрицы. Отрицательное влияние упругого расширения прессуемого изделия, достигающее в ряде случаев 2 % и более его объема рассматривалось многими учеными в различных областях техники.Очевидно, что на конечное фактическое значение величины упругого расширения существенное влияние будут оказывать силы сцепления между частицами прессуемого материала, а также объем защемленного воздуха.

Совершенствование процесса интенсивного перемешивания жестких смесей направлено на создание высокопроизводительного смесительного оборудования и активацию цемента, в результате чего станет лучше состав смеси при производстве лего кирпича. Исследуются новые виды смесительного оборудования, в которых традиционные способы приготовления бетонной смеси интенсифицируются ультразвуковыми, вибрационными, электрическими, тепловыми, высокоскоростными механическими и воздушными воздействиями. Практика подтверждает возможность повышения прочности бетонов на 20 % и более технологическим методом активации вяжущего.

Применяя станки для лего кирпича с высоким усилием прессования, мы влияем на свойства будущего строительного материала. Однако свойства будущего гиперпрессованного лего кирпича в значительной степени определяются его составом и строением. Знание состава сырья и материалов позволяет прогнозировать свойства получаемых изделий при изготовлении и получать их с заданными качественными характеристиками на длительный период эксплуатации. Различают химический, минеральный (минералогический) и фазовый (твердый, жидкий, газообразный) составы.

Химический состав указывает на процентное содержание в материале химических элементов или оксидов и позволяет судить об их химической стойкости, прочности, огнестойкости, биостойкости и других свойствах. Например, в состав стандартного гиперпрессованного кирпича из глины входят кремнезём SiO2, глинозём Al2O3, оксиды железа Fe2O3, кальция CaO и другие соединения. С повышением содержания кремнезёма SiO2 снижается связующая способность глин, прочность в высушенном и обожжённом состоянии, повышается пористость изделий. Глинозём Al2O3 повышает пластичность и огнеупорность глин, прочность обожжённых изделий. Оксид кальция CaO понижает температуру плавления, изменяет окраску обожжённых изделий, повышает их пористость, снижает прочность и морозостойкость.

Минералогический состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в лего кирпиче, вяжущем веществе и других композиционных составах. Например, известняк, мел состоят из одного минерала - кальцита, а мергель - из нескольких минералов. Зная минеральный состав, можно предопределить как физические, химические свойства, так и более специфические характеристики, такие как пластичность, огнеупорность, вязкость, способность к кристаллизации, скорость твердения, коррозионную стойкость. Например, по содержанию алита (3СаО∙SiO2) в портландцементном клинкере (45...60%) можно судить о скорости твердения и прочности цементного камня, по содержанию породообразующих минералов кварца и полевого шпата в гранитах об их твёрдости, хрупкости.

Фазовый состав указывает на содержание в материале лего кирпича фаз, т.е. частей однородных по химическому составу и физическим свойствам и отделённых друг от друга поверхностями раздела. Если структуру составляют несколько фаз, то между ними заметна линия или граница раздела. Например, основными фазами раздела цементного клинкера являются алит, белит, алюминат и др. В пористом материале выделяют твёрдые вещества, образующие стенки пор, и сами поры, заполненные воздухом или водой. Если вода замёрзнет в порах, то изменятся и свойства материала. Следовательно, фазовый состав материала из которого произведен лего кирпич и фазовые переходы воды в нем оказывают влияние на свойства и поведение материала при эксплуатации. Материалы, представленные одной фазой, называются гомогенными, а двумя и более – гетерогенными.

Если характеризовать состав композиционных материалов, то лучше говорить о вещественном составе, поскольку они состоят из нескольких веществ, каждый из которых может иметь свой достаточно сложный химический и минеральный составы. Например, портландцемент кроме минералов клинкера содержит добавку гипса (СaSO4•2H2O – для регулирования сроков схватывания) и другие добавки. Содержание таких компонентов и есть вещественный состав лего кирпича.

Под структурой (от лат. struktura – строение) гиперпрессованного лего кирпича понимают совокупность устойчивых связей, обеспечивающих их целостность или внутреннее строение, обусловленное формой, размерами, взаимным расположением составляющих их частиц, пор, капилляров, микротрещин. Структура материала может в значительной степени влиять на его свойства и качественные показатели лего кирпича в целом. Например, горные породы известняк, мел и мрамор, имея одинаковый химический и минералогический составы, но различную внутреннюю структуру, по свойствам существенно отличаются друг от друга.

Различают макроструктуру (от греч. macros – большой), микроструктуру (micros – малый) материала и внутреннее строение на молекулярно-ионном уровне (наноструктуру). Макроструктура материала видима невооружённым глазом (визуально) или при небольшом увеличении (до 6 раз). При этом различают структуру поверхностного и внутреннего слоёв. Микроструктура – это строение, видимое под микроскопом.

Макроструктура материала может быть однородной и неоднородной, зернистой (конгломератной или рыхлозернистой), ячеистой (мелко-, средне и крупнопористой), волокнистой, слоистой и др. Материалы, состоящие из отдельных, не связанных между собой зёрен, образуют рыхлозернистую структуру. Это песок, гравий, порошкообразные материалы, различные засыпки для тепло- и звукоизоляции. Конгломератная структура - когда отдельные зерна надёжно соединены между собой (бетоны, некоторые природные и керамические материалы). Ячеистая структура характерна для материалов, имеющих макро- и микропоры (пено- и газобетоны, газосиликаты, ячеистые пластмассы). Волокнистую структуру имеют материалы, у которых волокна расположены параллельно одно другому. При этом они обладают различными свойствами вдоль и поперёк волокон, так называемые анизотропные материалы. Волокнистая структура присуща древесине, минераловатным изделиям. Слоистую структуру имеют глинистые сланцы и др.

В зависимости от порядка расположения атомов и молекул, материалы могут иметь строго упорядоченное строение ‒ кристаллическое и неупорядоченное, хаотическое ‒ аморфное. Кристаллическая структура образуется при очень медленном охлаждении расплавов, когда атомы (ионы) имеют возможность перемещаться в пространстве и занимать наиболее устойчивое положение. Линии, условно проведённые через центры атомов в трёх направлениях в таких структурах, являются прямыми и образуют так называемую кристаллическую решётку. Поэтому кристаллическими называют материалы, в которых атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом порядке в трёхмерном пространстве и образуют кристаллическую решётку (рис. 1). Примером может служить металл, гранит, мрамор и др.

Рис. 1. Аморфная (а) и кристаллическая (б) структура

Аморфная (бесформенная) структура образуется при быстром охлаждении расплавов, когда атомы при переходе в твёрдое состояние не успевают образовать кристаллическую решётку, а остаются вблизи тех положений, которые занимали в расплаве. Поэтому аморфными называют материалы, в которых атомы и молекулы расположены беспорядочно (хаотически). Однако аморфная структура не является совершенно беспорядочной. Некое подобие порядка наблюдается в ближайшем окружении атомов. Кроме того, в отличие от кристаллического состояния веществ, аморфное является термодинамически неустойчивым (метастабильным). При определённых условиях (температура, давление, время) аморфные материалы могут перейти в кристаллические. Примером может служить система «стекло – ситалл». По прошествии некоторого времени аморфные вещества тоже переходят в кристаллические. Однако время это может быть весьма значительным и измеряться годами и десятилетиями.

Часто кристаллическая и аморфная формы микроструктуры могут характеризовать лишь различное состояние одного и того же вещества (кристаллический кварц и аморфный кремнезём). При этом кристаллическая форма всегда более устойчивая. Например, чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатных изделий, необходимо применить автоклавную обработку в среде насыщенного пара при повышенной температуре (175°С) и давлении (0,8 МПа). В то же время диатомиты и трепелы (аморфная форма диоксида кремнезёма) взаимодействуют с известью и водой при нормальной температуре (15°С) и давлении.

Различие между аморфными и кристаллическими материалами ещё в том, что кристаллические материалы при нагревании имеют определённую температуру плавления, которая равна температуре отвердевания. Аморфные материалы при нагревании размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Кроме того, прочность аморфных материалов, как правило, ниже кристаллических. Поэтому иногда для получения более высокой прочности аморфного материала специально проводят его кристаллизацию. Тот же пример с ситаллами и шлакоситаллами.

Аморфный материал, как правило, изотропный. Кристаллический – в микрообъёме может быть анизотропный, в макрообъёме, когда кристаллы расположены хаотически (гранит), – изотропны. Аморфные вещества могут быть прозрачны, так как не имеют границ между кристаллами, рассеивающих световые волны. Поэтому аморфные вещества называют ещё стеклянными, а их структуру – стеклообразной, как частный случай аморфной.

Введение в состав смеси для кирпича типа лего тонкодисперсной муки дает возможность заполнить полученной из нее и воды технологической связкой поры между каркасообразующими более крупными зернами (увеличение плотности сырца). Таким образом создается большее число контактов между всеми зернами смеси (увеличение сцепления и зацепления) и образуются микрокапилляры, позволяющие использовать поверхностное натяжение воды в них для придания кирпичу-сырцу, прочности. Если как пример рассмотреть силикатный кирпич, то для него в качестве дисперсной муки обычно применяют тонкомолотое вяжущее, добавка которого в силикатную смесь тем эффективнее, чем больше удельная поверхность муки, определяемая в первую очередь содержанием в ней коллоидных фракций.

В этом плане большой интерес представляет проведенный эксперимент по определению влияния на прочность кирпича-сырца содержания в смеси вяжущего различного состава, но размолотого до одинаковой удельной поверхности. Из рис. 2 видно, что действие вяжущих, резко отличающихся составом на прочность сырца практических одинаково.

В то же время вяжущие, составленные из раздельно молотых компонентов, обладающие меньшей удельной поверхностью, оказывают значительно более слабое влияние на прочность кирпича-сырца. Здесь помимо уменьшения удельной поверхности сказывается и наличие агрегатов коллоидных известковых и глинистых частиц, которые лишь при совместном помоле этих компонентов дезагрегируются и создают лучшую формуемость смеси.

Рис. 2. Влияние содержания и свойств вяжущего на прочность кирпича-сырца: 1- вяжущее совместного помола; S=6820 см2/г, состав И:К=1,5:1; 2 - то же, И:К=1:1; 3 - то же, И:К=2:1; 4 - то же, И:К=1:0; 5 - вяжущее из раздельно молотых компонентов S=5100 см2/г, И:К=2:1; 6 - то же, И:К=1,5:1; 7 - то же, И:К=1:1