Основы производства известково-песчаных изделий

     Зависимость прочности изделий, изготовленных из отдельных смесей, от продолжительности и температуры запаривания устанавливалась многими учёными, но вследствие того, что исследования проводились с различными сырьевыми материалами, в результатах имеются значительные расхождения и даже противоречия. Для выяснения этой зависимости у изделий, изготовленных из обработанных в дезинтеграторе смесей, были проведены специальные опыты.

     В 1952 году автор в своей книге  изложил теоретические соображения  пришёл к выводу, что прочность  известково-песчаных изделий можно выразить следующей функцией:

 

R = f (α, β, γ),

 

, где R – прочность известково-песчаного изделия на сжатие;

      α – автоклавный режим (температура, продолжительность запаривания при максимальной

      температуре, скорость впуска и выпуска пара);

      β – свойства смеси (дисперсность извести и песка, активность поверхности их частиц,

      структурная прочность песка, гомогенность смеси, взаимное соотношение количества извести

      и воды и т.п.);

      γ – структура и плотность отформованного сырца.

 

     Все образцы изготовлялись из дезинтегрированных смесей плотностью 1,6 и 1,9 г/см³ с удельной поверхностью песка в смеси 150, 300, 600, 1200 и 2000 г/см²; запаривание производилось при температуре 99º (0 ати), 133º (2 ати), 164º (6 ати), 183º (10 ати), 203º (16 ати) и 225º (25 ати); продолжительность запаривания составляет 2, 4, 8, 15 и 50 часов. Для каждой удельной поверхности песка принималось три дозировки извести: оптимальная (ориентировочная), на 25% ниже и на 25% выше. Для каждого значения плотности, состава смеси и режима запаривания было изготовлено по 6 образцов, по 3-м из них определяли прочность на сжатие. Результаты опытов приведены в таблицах и графиках. Данные этих опытов позволили разработать два способа расчёта прочности силикальцитных изделий по показателям значений активности смеси, удельной поверхности песка в смеси, объёмного веса изделий, продолжительности запаривания и давлению пара. Описание способов расчёта прочности, графики и формулы приведены в этой главе. Оба способа дают достаточно точные результаты и могут быть использованы для практических целей.

     Один  способ основан на суммарной величине поверхности зёрен песка, находящихся  в контакте с мостками новообразования, и на учёте прочности мостков  и является простым. Прочность изделий  выражается следующей формулой:

 

 

, где e – удельная поверхность песка в смеси;

      a – активность смеси;

      A и B – множители, зависящие от режима запаривания, приведённые в соответствующей

      таблице или графике

 

     В работе рассматриваются изменения количества свободной извести и растворимой SiO₂, происходящие при запаривании образцов.

     В конце главы сделан анализ свойств  смеси, сырца и автоклавных режимов, необходимых для изготовления прочных  монолитов. Приведена формула расчёта  оптимального количества извести в смеси в зависимости от максимальной прочности изделия и лучшей уплотняемости. Анализируется оптимальный гранулометрический состав песка, приводятся выполненные автором расчёты, определяющие диаметры шаров различной величины, которые отвечают максимально плотному заполнению пространства. Показывается, что обработка в дезинтеграторе однородных песков придаёт им хороший гранулометрический состав.

     Приведены замечания автора относительно добавок, рекомендованных к применению при  производстве известково-песчаных изделий. Добавки, которые реагируют с известью более активно, чем песок, препятствуют зёрнам песка участвовать в образовании прочной структуры и отрицательно сказываются на качестве изделий. Многие добавки улучшают формуемость смесей, и их применение может оказаться целесообразным. Ещё не определены добавки, значительно улучшающие качество структуры силикальцита. Анализируется воздействие химического и минералогического составов сырья на прочность изделий и сделан вывод, что силикальцитные изделия обладают наибольшей прочностью, если они изготовлены из чистых компонентов - кристаллического песка и чистой извести.

     Дан обзор свойств поверхностей сырьевых материалов и их значения для образования  прочной структуры силикальцита. Опыты показывают, что активность поверхностей песка, полученная в дезинтеграторе, после двухмесячного выдерживания песка в герметично закрытых сосудах начинает снижаться. Образцы, изготовленные через полгода после обработки песка в дезинтеграторе, теряют от 20 до 50% прочности независимо от того, хранился дезинтегрированный песок с известью или отдельно, во влажном или сухом состоянии. Производится гашение извести совместно с песком или отдельно, это не оказывает никакого влияния на прочность изделий. Но большое значение имеет гомогенность смеси. Опыты показывают, что обработка смеси в дезинтеграторе повышает прочность изделий, в зависимости от характера смесей в 1,2 – 1,9 раз по сравнению с прочностью, получаемой при смешении компонентов смеси вручную. Замешивание в смесь других компонентов (воды или алюминиевой пудры), при обработке извести и песка в дезинтеграторе, улучшает свойства смесей и качество изделий. Исследования показывают, что каждому составу смеси и структуре сырьевого материала соответствует своё оптимальное давление пара и продолжительность запаривания, при которых изделия достигают максимальной прочности.

     Результаты  исследований и данные производства силикальцитных изделий полностью подтвердили теоретическую схему образования структуры силикальцита, разработанную автором в 1953 году.

 

Глава V

Напряжения, возникающие в  известково-песчаных изделиях при водотермической  обработке, и вызываемые ими дефекты. Рациональное запаривание

 

     В этой главе рассматриваются состояние  изделий в зависимости от механических и температурных напряжений в 3-х  стадиях запаривания. Анализируются  вопросы конденсации пара в автоклаве  и в изделиях в первой стадии запаривания  и образующиеся при этом дефекты монолита. Приведена расчётная схема количества конденсата и доказывается, что вычисленный и фактический расход пара на запаривание практически равны, если учесть образующийся при твердении изделий экзотермический эффект. Даны некоторые практические указания, предупреждающие образование в изделиях дефектов, вызываемых конденсатом. В период подъёма пара температура внутри изделия ниже, чем в паровом пространстве, поэтому изделия находятся под паровой нагрузкой. Если сырец представляет собой сжимаемую структуру, например, ячеистую, то под действием паровой нагрузки в таких изделиях возникают различные дефекты. Путём измерения температуры внутри изделий, на различном расстоянии от свободной поверхности, вычисляются значения паровых нагрузок. Описан характер дефектов и даны указания, как предупредить их образование от действий паровой нагрузки, выбирая режим подъёма давления пара, соответствующий характеристике запариваемых изделий. Детально рассматриваются температурные напряжения, возникающие в изделиях в период подъёма пара. В противоположность существующим мнениям указывается, что температурные напряжения в изделиях в период подъёма давления пара должны быть небольшими и они не могут вызывать трещины или другие дефекты в изделиях. Если в автоклав поступает перегретый пар, то открытые поверхности изделий интенсивно высыхают и покрываются трещинами.

     Приведены результаты вычислений и изменений  парционального давления воздуха в  автоклаве. Величина парционального давления при обычных режимах запаривания  достигает 1,6 ати. При выпуске воздуха температура в автоклаве при том же давлении повышается. Но при запаривании изделий, имеющих много пор, заполненных воздухом, выпуск воздуха из автоклава производить нельзя, так как образующиеся внутри пор давления воздуха может разрушить ещё не затвердевшие, непрочные изделия. Рассматриваются дефекты изделий, возникающие от парциального давления воздуха. После запаривания в течение двух-трёх часов при максимальном давлении пара изделия приобретают прочность, которая позволяет производить выпуск воздуха из автоклава. Указывается на возможность уравновешивания напряжений, образующихся от паровой нагрузки и от давления воздуха в порах изделий. Для этого следует регулировать величину парциального давления воздуха в автоклаве соответственно величине паровой нагрузки.

     Установлены пределы колебаний давления пара в автоклаве и приводятся кривые, показывающие с какой скоростью  следует производить равномерное  снижение давления пара в определённый период запаривания без опасения появления разрушений и дефектов в изделиях. Вычислены значения напряжений, возникающих при запаривании под действием гашения извести в изделиях. Приведены данные, показывающие, что догашивание извести при запаривании можно допускать только в ячеистых изделиях. Известь в прессованных изделиях должна быть загашена до запаривания, в противном случае неизбежно появление брака. Замораживание изделий до запаривания не снижает их прочности, если при замораживании не возникли видимые дефекты.

     Во  второй стадии запаривания в изделиях, в результате образующегося при твердении экзотермического эффекта, возникают температурные напряжения, но их удельное значение небольшое. У изделий, изготовленных из тонкодисперсных смесей, литых с большой формовочной влажностью, экзотермический эффект может вызвать интенсивное высыхание и появление специфических трещин. Под действием самого процесса твердения деформаций в изделиях не возникает. Опыт показывает, что прочность изделия не изменяется, если оно во время запаривания находится в водной среде.

     В третьей стадии запаривания наибольшее значение имеет испарение воды из изделий, что сопровождается образованием температурных напряжений и напряжений от высыхания изделий. Внутри изделий образуется также давление пара. Пар должен выпускаться из автоклава со скоростью, при которой указанные силы не должны превышать прочность изделий. Приведён приближённый расчёт этих сил.

     В целях экономии тепловой энергии  при подъёме давления пара конденсат  следует непрерывно удалять из автоклава, во второй же стадии запаривания выпуск конденсата должен быть прекращён. В автоклав, в котором предусматривается произвести подъём давления пара, следует впустить конденсат, а затем производить перепуск пара. Расчёт показывает, что при рациональном режиме выпуска пара изделия получаются сравнительно сухие. Приведены рациональные режимы запаривания сборных конструкций, значительно отличающиеся от рекомендуемых в литературе. Целесообразность их применения подтверждается высоким качеством конструкций, выпускаемых всеми силикальцитными заводами. В конце главы приведены данные, из которых видно, что наиболее экономичным давлением пара при запаривании силикальцитных изделий является 12 ати.

 

Глава VI

Формование  плотных известково-песчаных изделий

 

     Дан метод определения удобообрабатываемости и прессуемости смесей при формовании прессованием. Удобообрабатываемость определяется по формуле:

 

y = R ·δ

 

, где y – численный показатель удобообрабатываемости смеси;

      R – прочность на сжатие сырца  в кг/см², прессовавшегося под давлением 200 кг/см²;

      δ – относительная деформация в %, измеренная в момент разрушения сырца.

 

     Показатель  прессуемости смеси p выражается формулой:

 

 

, где σ – давление пресса, требуемое для формования смеси до объёмного веса сухого вещества

      1,9 г/см³.

 

     Исследуется зависимость этих показателей от характера смесей.

     Приведены результаты опытов и данные производства, показывающие, что силикальцитные смеси  можно уплотнять трамбованием до объёмного веса 1,9 г/см³. Сделан обзор общих принципов вибрирования и указаны особенности уплотнения известково-песчаных смесей этим способом. Приведена формула для определения оптимальной формовочной влажности вибрируемых смесей по данным активности смесей и удельной поверхности песка в смеси. Произведены опыты по установлению оптимальных частот и амплитуд колебаний при вибрировании силикальцитных смесей. Приведены расчёты, определяющие степень уплотнения вибрируемых силикальцитных смесей. Специальными методами детально исследуется влияние различных свойств смесей на их пластичность и виброуплотняемость. Хранение смесей при температуре свыше 40º в течение 20 часов и более ухудшает их уплотняемость, что объясняется изменением коллоидной структуры извести. Добавление воды в смесь при её обработке в дезинтеграторе улучшает уплотняемость смеси и позволяет производить вибрирование при меньшем содержании формовочной влажности. Дано теоретическое обоснование этого явления. Рассматривается влияние пластификаторов, улучшающих уплотняемость смеси. Приведено описание опытов вибрирования с пригрузом и вибропрессования. Этими методами достигается б'ольшее уплотнение смеси, чем вибрированием со свободной поверхностью. Приведены положительные результаты единичных опытов формования силикальцитных смесей центрифугированием. На многих силикальцитных заводах производится массовый выпуск индустриальных силикальцитных деталей, формуемых литьём. При этом способе формования смесь содержит большое количество воды, остающейся свободной при запаривании и вызывающей при испарении образование в изделиях значительного количества больших пор. Такие поры во время эксплуатации легко заполняются водой и она при замерзании разрушает изделие. Поэтому морозостойкость литых изделий низкая и они могут быть использованы только во внутренних конструкциях зданий. Дана эмпирическая формула для определения необходимого количества воды при формовании литьём в зависимости от активности смеси и удельной поверхности песка. При приготовлении смесей для формования литьём, воду целесообразно вводить при дезинтегрировании. Произведены опыты изготовления силикальцит-бетонов. Заполнителями могут служить гравий, щебень, керамзит, различные шлаки и т. п., вяжущим в этом случае являются силикальцитные смеси. Массовое производство сборных конструкций зданий из силикальцитбетона на базе шлаков освоено на Лодейнопольском заводе.