CC BY
24наука
УДК 677.057.151
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
В.В. НЕЛЮБОВА, канд. техн. наук, Д.А. ЧАРЕЕВ, канд. хим. наук,
В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, Е.В. ФОМИНА, канд. техн. наук,
Н.И. АЛТЫННИК, инженер, Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова; Е.Г. ОСАДЧИЙ, д-р хим. наук, Институт экспериментальной
минералогии Российской академии наук (г. Черноголовка, Московская обл.)
Лабораторный автоклав для гидротермального синтеза строительных материалов
В настоящее время производством силикатных автоклавных материалов в Российской Федерации занимаются более 100 предприятий. В общей структуре производства стеновых материалов на долю силикатных материалов приходится около 26—27%. В целом рынок силикатных изделий очень насыщен и имеет достаточно высокий уровень конкуренции, подталкивающей предприятия отрасли к постоянному повышению качества выпускаемой и освоению производства новых видов продукции [1—3]. Это требует от производителей перехода на новые технологии и внедрение различных решений, способствующих повышению качества выпускаемой продукции. При этом внедрение любых новшеств на предприятии требует серьезной проработки как теоретических, так и практических вопросов получения того или иного материала в необходимых условиях.
Завершающим этапом технологии, в процессе которого происходит синтез искусственного силикатного камня, чье качество в решающей мере определяет строительно-эксплуатационные показатели силикатных материалов, является автоклавная обработка.
Обработка в автоклаве — самая важная стадия технологии автоклавных материалов. В автоклаве происходят сложные процессы, превращающие исходное сырье в прочный искусственный камень заданной плотности и формы, удовлетворяющий условиям эксплуатации выпускаемых предприятием изделий. Свойства искусственного камня изделий, полученных по автоклавной технологии, зависят от ряда факторов: режима автоклавной обработки; параметров водяного пара; времени и условий предавтоклавного хранения; автоклавирова-ния изделий в формах или без форм; размера (объема) изделия и др.
Основная задача автоклавной обработки — создание условий для интенсивного образования гидросиликатов кальция и магния, что обеспечивается соответствующими параметрами водяного пара. Следует подчеркнуть, что главным параметром водяного пара, обеспечивающим образование необходимых гидросиликатов и гидроалюминатов, является температура, а не давление (плотность водяного пара). Поэтому длительное время существовавшее требование использовать только насыщенный водяной пар не отвечает современным представлениям.
В настоящее время для повышения технико-эксплуатационных характеристик силикатных автоклавных материалов предлагается множество решений. Большая часть из них связана с изменением сырьевой шихты (введение различных добавок, разработка новых видов известково-кремнеземистых вяжущих). Однако автоклавная технология производства строительных материалов и изделий из различных по минералогическому и химическому составу исходных материалов требует дифференцированного подхода к выбору параметров водяного пара и режимов автоклавной обработки, чего
практически невозможно добиться в условиях реального производства.
В то же время одной из причин, сдерживающих интерес исследователей к силикатным автоклавным материалам, является невозможность проведения полноценных испытаний указанных материалов в лабораторных условиях ввиду отсутствия необходимого оборудования для синтеза изделий.
Существующие лабораторные автоклавы предназначены исключительно для пищевой промышленности и используются для стерилизации пищевых продуктов, расфасованных в стеклянные или жестяные банки. Указанный процесс характеризуется обработкой материалов при температуре свыше 100оС, тогда как синтез автоклавных материалов происходит при более высоком значении температуры и давления (температура 175—300оС, избыточное давление пара 10—16 ати). В связи с этим возникла необходимость разработки нового лабораторного автоклава, позволяющего синтезировать образцы силикатных материалов в заданных условиях.
6
Схема лабораторного автоклава: 1 - корпус автоклава; 2 - крышка; 3 - образцы; 4 - водяной охлаждающий контур; 5 - электрический нагреватель; 6 - термопара регулирующая; 7 - трубчатый манометр; 8 - тензометрический датчик давления; 9 - вентиль отбора пробы и слива раствора
4
18
научно-технический и производственный журнал
март 2012
тематический раздел журнала «Строительные Материалы»
наука
Лабораторный автоклав объемом 3,6 л, предназначенный для гидротермального синтеза образцов силикатных материалов при температуре до 240оС и соответствующем давлении насыщенного и ненасыщенного пара воды (см. рисунок), был разработан совместно с Институтом экспериментальной минералогии РАН.
Корпус и крышка автоклава изготовлены из коррозионно-стойкого сплава Х18Н10Т. Уплотнение осуществляется кольцом круглого сечения из фторкаучуко-вой резины. Автоклав оснащен двухходовым вентилем для отбора проб раствора в процессе опыта, например для определения водородного показателя (рН) раствора или для полного слива раствора. Резистивный нагреватель мощностью 2 кВт, подключенный к специальному терморегулятору, выводит автоклав на заданную температуру в течение часа, а охлаждающий контур в течение получаса охлаждает автоклав с образцами до температуры сетевой воды. Показания измерительной термопары и тензометрического датчика давления в процессе авто-клавирования регистрируются на компьютере в режиме реального времени [4].
Работа автоклава происходит следующим образом: на первом этапе выбираются параметры автоклавной обработки, после чего плавно поднимается температура и давление до указанных значений и начинается режим выдержки изделий. По окончании этапа выдержки начинается сброс температуры. По мере охлаждения пара внутри камеры происходит плавное снижение давления.
В автоклаве предусмотрено регулирование скорости набора температуры и давления изменением мощности нагревательных элементов камеры и заданием коэффициента заполнения. Существует также возможность резкого охлаждения (закалки) материалов. Все это позволяет производить подбор режимов автоклавной обработки в зависимости от технического состояния промышленного оборудования, а также для получения материалов с заданными технико-эксплуатационными свойствами.
Известно, что прочностные и деформативные показатели силикатных материалов, а также их стойкость к воздействию внешних агрессивных факторов во многом зависят от фазового состава и морфологических особенностей синтезируемых в гидротермальных условиях цементирующих новообразований. Однако изучение фа-зообразования в промышленных условиях сопряжено с объективными трудностями. Лабораторный автоклав позволяет изучать модельные составы, а также варьировать параметры синтеза отдельных гидросиликатов кальция, слагающих массив автоклавных материалов.
Контроль цикла автоклавной обработки и наглядное отображение всех параметров цикла осуществляются при помощи автоматизированной системы управления.
Система автоматического управления автоклавом позволяет увеличить ресурс автоклавной установки за счет точного соблюдения технологического режима работы; обеспечить качество технологического процесса за счет точного поддержания необходимого температурного режима и плотности водяного пара (давления) при обработке изделий; обеспечить безопасность работы установки путем реализации независимых автоматических защит и блокировок по температуре и давлению.
Разработан и прошел многократные испытания специальный лабораторный автоклав для гидротермального синтеза строительных материалов, позволяющий проводить комплекс исследований по изучению составов и свойств силикатных материалов автоклавного твердения.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009—2013 гг.): мероприятие 1.1 «Проведение научных исследований коллективами научно-
образовательных центров»: № 2010—1.207—075 «Создание нового класса минеральных наноструктурирован-ных вяжущих негидратационного типа твердения для производства высококачественных строительных материалов различного назначения»; Мероприятие 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учеными — кандидатами наук»: № 16.740.11.0770 «Создание высокоэффективных силикатных материалов автоклавного твердения с использованием наноструктурирован-ных модификаторов».
Ключевые слова: силикатные материалы, температура, давление, автоклав.
Список литературы
1. Обзор рынка силикатного кирпича и сырья для его производства в России и в ЦФО [Электронный ресурс] / РосБизнесКонсалтинг, 2008. URL: http:// marketing.rbc.ru/rev_short/31818591.shtml (дата обращения 02.02.2012).
2. Исследование рынка керамического и силикатного кирпича [Электронный ресурс] / РосБизнесКонсалтинг, 2008. URL: http://www.trade.su/research/view/ 1032 (дата обращения 02.02.2012)
3. Баринова Л.С. Силикатный кирпич в России: современное состояние и перспективы развития // Строительные материалы. 2008. № 11. С. 4—9.
4. Жданов Н.Н., Осадчий Е.Г., ЗотовА.В. Универсальная измерительная система для электрохимических измерений в гидротермальных и конденсированных средах: Сб. мат. XV Российского совещания по экспериментальной минералогии. Сыктывкар: Геопринт, 2005. С. 166-168.
16-я специализированная международная
выставка
I си=ячси j апреля
строительство:
ОТДЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ДИЗАЙН. 2012
НПРИ ПОДДЕРЖКЕ МИНИСТЕРСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА с
„флагман^,
дУпо^нЫеТмзт&риаль^
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ СПОНСОР ВЫСТАВКИ
САРАТОВ
■ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, КОНСТРУКЦИИ,
■ ОТДЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ДИЗАЙН* ИНТЕРЬЕР, а ИНЖЕНЕРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.
■ ИНДИВИДУАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО. КОТТЕДЖИ.
■ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
C/kfiöüKa Щчой
rtVIUU FMCT
I СПЕЦИАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ ВЫСТАВКИ . СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ОБОРУДОВАНИЕ».
• СПЕЦИАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ ВЫСТАВКИ
И УМНЫЙ дом.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЗДАНИЯ»
гяг\ выставочный центр —
N N софит-экспо
ТЕЛ,: (8452) 205-470,206-926 ^http://expo.sofit.ru
Г; научно-технический и производственный журнал
v.-Jy^Arb:® март 2012 19
