Влияние колебаний свойств сырьевых материалов на качество автоклавного ячеистого бетона

Технология автоклавного ячеистого бетона как система при колебаниях свойств исходных сырьевых материалов и технологических параметров, превышающих допустимые пределы, перестает выполнять основную целевую функцию – обеспечивать устойчивое получение ячеистого бетона с заданными показателями качества.

Нейтрализация их негативного влияния на стабильность качества ячеистого бетона может быть достигнута двумя путями.

Первый – строгое соблюдение заданных параметров сырьевых материалов, которое требует дополнительных затрат на замену оборудования и изменение технологии обжига и помола извести и кремнеземистых компонентов, а также входного и операционного контроля. По такому пути в основном идут многие зарубежные и некоторые отечественные производители, хотя это ведет к удорожанию продукции. Однако добиться устойчивого соблюдения всех параметров сырьевых материалов не удается.

Второй путь основывается на установлении количественного стехиометрического соотношения активности извести и реакционной поверхности алюмокремнеземистого компонента, обеспечивающего в условиях автоклавной обработки синтез качественных гидроалюмосиликатов кальция. Исходя из этого соотношения, разработаны аналитические зависимости расхода сырьевых материалов независимо от фактического значения их параметров. Полученные аналитические зависимости являются основой программированного определения расхода сырьевых материалов, обеспечивающего получение ячеистого бетона со стабильными качественными показателями независимо от характеристик исходного сырья.

Этот путь значительно проще и доступнее при наличии аналитической базы программирования. В сочетании с программным управлением всеми технологическими операциями производственного процесса появляется возможность создания автоматизированного производства автоклавного ячеистого бетона при менее жестких требованиях к качеству сырьевых материалов.

Таким образом, речь идет не о создании и рассмотрении принципиально новой системы, а об улучшении существующей, которая предполагает анализ и выполнение определенных операций, обеспечивающих получение ячеистого бетона стабильного качества.

Технология автоклавного ячеистого бетона при системном подходе ее рассмотрения представляет собой целостное множество функционально связанных между собой элементов (материалы разных видов и назначения, технологические операции по их подготовке, переделам и перемещению в заданном режиме и последовательности, обеспечивающих достижение производственных параметров сырья, бетонных смесей, процессов формования и автоклавной обработки).

Автоклавная технология основана на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция и других по составу цементирующих новообразований. Кинетика их образования по показателям эффективной энергии активации, скорости, меры превращений и продолжительности образования определяется действием многих факторов, главными из которых являются:

• концентрационное соотношение щелочного, кислотного и карбонаткальциевого компонентов;
• степень разбавления смеси или соотношение твердого и жидкого компонентов в смеси;
• поверхностная активность взаимодействующих компонентов и размер поверхности;
• температура протекания реакций.

От действия этих факторов зависит качество и количество синтезируемых цементирующих веществ, их относительное содержание, минералогический состав и морфология, основность и степень кристаллизации, изменение энтальпии, пористость и распределение пор по размерам. Интегральное их проявление и будет определять тот или иной уровень качества материала по показателям прочности, деформативности, теплопровод­ности, паро- и воздухопроницаемости, морозостойкости и др.

Как всякая химическая технология, автоклавное производство, в ходе которого имеет место химическая реакция образования цементирующих веществ из твердых тел под действием температуры и влаги, опирается на систему управляющих факторов, подлежащих контролю и регулированию. К ним относятся: состав ячеистого бетона по массе, удельная поверхность щелочного и кислотного компонентов, активность и содержание щелочного компонента в смеси, ее концентрация, однородность и плотность, температура и продолжительность автоклавной обработки.

Состав ячеистого бетона оптимизируется исходя из условия связывания всей извести, выделяемой в процессе автоклавной обработки щелочным компонентом, кремнеземистым компонентом в «конструктивные» гидросиликаты кальция – тоберморит, ксонотлит и СSH (B). Как показали проведенные исследования, это условие выполняется при определенном соотношении реагирующей поверхности SiO2 и активной СаО. Очевидно при этом, что чем больше поверхность кремнеземистого компонента в ячеистом бетоне, тем большее количество извести может быть связано в «конструктивные» гидросиликаты и тем больше будет прочность ячеистого бетона. Этим объясняется применение кремнеземистого компонента в тонкомолотом виде и извести повышенной активности ≥ 70 %. Частично остающийся после обжига извести карбонат кальция при этом не является полностью инертным балластом. Он принимает прямое участие в синтезе гидрокарбосиликатов кальция и служит подложкой для кристаллизации гидросиликатов кальция, вследствие чего оказывается важным структурным элементом формирующегося известково‑кремнеземистого конгломерата.

В силу объективных и субъективных причин производители автоклавных материалов вынуждены применять сырьевые материалы с большой изменчивостью их рабочих параметров. Это касается как природного, так и техногенного сырья, но в наибольшей мере – основного щелочного компонента сырьевой смеси – извести. Приходится констатировать, что выпускаемая промышленностью известь характеризуется нестабильной активностью, температурой и скоростью гидратации, т. е. такими параметрами, которые непосредственно влияют на протекание реакции гидротермального синтеза цементирующих веществ, а в производстве – на процесс формования массивов ячеистого бетона. Это приводит к значительным издержкам по качеству и количеству выпускаемой продукции из автоклавного ячеистого бетона.

В таблице приведена сравнительная характеристика физико-­технических показателей газобетона автоклавного твердения плотностью 400 кг/м³, полученного с применением традиционного и разработанного вяжущего оптимального состава.

В ближайшей перспективе с учетом технологической оснащенности заводов‑производителей трудно реально рассчитывать на выпуск качественной извести со стабильными показателями ее свойств, имея в виду предстоящие большие капитальные затраты и объем работ по реконструкции действующих заводов. Учитывать приходится также истощение запасов качественного природного сырья, что дополнительно усложняет и удорожает получение высококачественной извести. По-видимому, такое положение сохранится достаточно долго и заставит производителей с ним считаться.

Как показывают фундаментальные исследования отечественных и зарубежных ученых, способы получения качественной извести известны, хотя часто они требуют значительных финансовых затрат. Возможность же локализации и снижения вредного влияния изменчивости свойств извести и других компонентов, а также технологических параметров производственного процесса с целью обеспечения выпуска высококачественной продукции в нынешних условиях в значительной степени зависит от опыта и квалификации инженерно-технического персонала и рабочих.

Изменчивость свойств сырьевых материалов, ухудшающая качество выпускаемой продукции из автоклавного ячеистого бетона, может частично компенсироваться применением композиционных вяжущих и добавок. Положительные результаты наблюдаются, например, при введении в состав известково‑кремнеземистой смеси добавок шлакопортландцемента, портландцемента, шлака, гипса, хлористого натрия и др. Бетоны, изготовленные на основе таких вяжущих, обладают повышенной прочностью, трещиностойкостью, меньшей усадкой и рядом других важных эксплуатационных свойств.

При введении щелочных добавок следует учитывать выделение дополнительного количества активной СаО, требующей для ее связывания и поддержания оптимального соотношения СаО/SiO2, увеличения реакционной поверхности кремнеземистого компонента, что достигается повышением его дисперсности или массы расчетным путем по разработанным авторами аналитическим зависимостям.

По материалам доклада С. Д. Лаповской, канд. тех. наук, зав. лаб. СМСН Государственного предприятия «Украинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт строительных материалов и изделий «НИИСМИ»