CC BY
21УДК 691.316
А.Н. ВОЛОДЧЕНКО, канд. техн. наук, В.С. ЛЕСОВИК, член-корр. РААСН, д-р техн. наук
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Перспективы расширения номенклатуры силикатных материалов автоклавного твердения
Установлена возможность расширения традиционной сырьевой базы автоклавных силикатных материалов за счет глинистых пород незавершенной стадии минералообразования, которые широко распространены в Российской Федерации и во многих странах мира, а также в больших количествах попадают в зону горных работ при добыче полезных ископаемых. Использование таких пород позволит управлять процессами структурообразования автоклавных материалов нового поколения. При этом синтезируются новообразования различного состава и морфологии, формирующие цементирующие соединения оптимальной структуры, что обеспечивает высокие физико-механические свойства изделий. Предложена номенклатура эффективной автоклавной продукции, в том числе стеновые, отделочные, конструкционно-теплоизоляционные, теплоизоляционные и акустические.
Ключевые слова: глинистые породы, сырьевая база, автоклавные силикатные материалы.
A.N. VOLODCHENKO, Candidate of Sciences (Engineering),
V.S. LESOVIK, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of Russian Academy of Architecture and Building Sciences Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukova Street, 308012 Belgorod, Russian Federation)
Perspectives of Expanding Nomenclature of Silicate Materials of Autoclave Hardening
The possibility to expand the traditional raw material base of autoclave silicate materials due to clay rocks of unfinished stage of mineralization, which are widespread in the Russian Federation and in many countries of the world as well as in large quantities get in the zone of mining operations when extracting minerals, has been established. The use of these rocks makes it possible to control the processes of structure formation of autoclave materials of a new generation. In this case, new formations of different compositions and morphology, which form cementing compounds of optimal composition that ensures high physical-mechanical properties of products, are synthesized. The nomenclature of efficient autoclave products including wall, finishing, structural-heat insulating, heat insulating, and acoustic materials is proposed. Keywords: clay rocks, raw base, autoclave silicate materials.
Важнейшей задачей современного строительства является создание для человека благоприятной и комфортной среды обитания, которая определяется параметрами микроклимата, уровнем шума, освещенности и т. д. Большое значение приобретает экологическая безопасность строительных материалов, так как городской житель, проживая большую часть времени внутри помещений, зачастую подвергается действию загрязняющих веществ больше, чем в наружном воздухе. В связи с этим необходима новая парадигма проектирования и производства эффективных строительных композитов, обеспечивающая комфортные условия проживания, работоспособность и здоровье человека.
Одними из наиболее экономичных и распространенных стеновых композитов являются автоклавные силикатные материалы, для производства которых по традиционной технологии используются известь и песок. Следует отметить, что запасы песка, удовлетворяющие нормативным требованиям, ежегодно истощаются. Кроме того, ухудшаются горно-геологические условия месторождений, прироста запасов практически нет. Учитывая большую долю затрат горного цеха на производство силикатных материалов, целесообразно использовать в качестве сырья различные побочные продукты и отходы промышленности [1—4].
Анализ сырьевой базы позволил теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность использования вместо песка нетрадиционных для стройинду-стрии глинистых пород незавершенной фазы минералоо-бразования, отличительной особенностью которых является наличие термодинамически неустойчивых соединений, таких как несовершенной структуры гидрослюда, смешанослойные образования, рентгеноаморфные минералы, тонкодисперсный слабоокатанный кварц и в небольшом количестве Са2+ монтмо-риллонит и каолинит (рис. 1).
К породам незавершенной фазы минералообразования относятся отложения коры выветривания магмати-
ческих и метаморфических пород, эолово-элювиально-делювиальные отложения, покровные суглинки и т. д. Подобные глинистые породы широко распространены как в Российской Федерации, так и в мире, а также в больших количествах попутно извлекаются при добыче рудных полезных ископаемых.
Использование таких пород позволяет управлять процессами структурообразования автоклавных материалов нового поколения. Полиминеральный состав пород и их термодинамическая неустойчивость обеспечивают фазообразование в условиях пониженного давления и сокращения времени автоклавной обработки. При этом возможен синтез нетипичных для традиционных известково-песчаных силикатных материалов новообразований, обусловливающих высокие физико-механические свойства изделий [5—8].
Теоретические предпосылки использования нетрадиционной сырьевой базы промышленности строительных материалов на основе глинистых пород незавершенной стадии минералообразования позволили предложить широкую номенклатуру автоклавных силикатных материалов нового поколения (рис. 2).
Эксплуатационные характеристики традиционных силикатных материалов обусловливаются фазообразо-ванием в системе CaO—SiO2—H2O [9—12]. В результате гидротермального синтеза образуются гидросиликаты кальция различной основности, определяющие физико-механические свойства стеновых материалов, повысить которые можно за счет увеличения тонкости помола кремнеземистого компонента, повышения расхода извести, а также увеличения давления автоклавной обработки и его продолжительности. Однако такой путь приводит к существенному увеличению энергоемкости производства, что снижает эффективность использования силикатных материалов.
Спецификой предлагаемого сырья является его полиминеральный состав, который обеспечивает в си-
научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf
сентябрь 2016
а
1 1 Î! Ii fi Î i i Î 1 i
■ 4 1 Ч — я ' Л-„. « i (I|B ( С t р ^ * * ' " - J lis '5 ! ii H . i fi 1 V^lLA'w л jjüUbu 1 i
Рис. 1. Рентгенограмма (а) и дериватограмма (б) глинистой породы незавершенной стадии минерало-образования месторождения КМА
Рис. 2. Номенклатура силикатных материалов на основе использования глинистых пород незавершенной стадии минералообразования
б
/
Ï1 ÏWJ KB ЩЯ 1ЯЛ
стеме CaO—SЮ2—Al2Oз—Fe2Oз—H2O синтез новообразований различного состава и морфологии, за счет чего формируется оптимальная микроструктура цементирующего соединения, определяющая высокие эксплуатационные показатели материалов нового поколения.
Установлено, что в изучаемой системе интенсифицируются процессы синтеза гидросиликатов кальция и их кристаллизация, а также образуются гидрогранаты различного состава и гидроферриты. В тоберморите происходит частичное замещение ионов Si4+ на А13+, что уплотняет его структуру. Кроме того, в многокомпо-
нентной системе синтез различных по составу новообразований растягивается во времени, что способствует снижению кристаллизационного давления в структуре материала и увеличению количества межкристаллических контактов, а также образованию крупнокристаллических фаз, которые являются микронаполнителем в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов.
Теоретические и экспериментальные исследования были апробированы на примере получения стеновых, отделочных, конструкционно-теплоизоляционных, теплоизоляционных и акустических материалов с ис-
Таблица 1
Влияние времени изотермической выдержки на прочность силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород КМА
Активность сырьевой смеси, % Предел прочности при сжатии (МПа) в зависимости от времени изотермической выдержки, ч
2 3 4 6 8
4 24,4 26,2 26,1 25,9 25,3
6 25,1 26,7 26,5 26,2 25,2
8 28,3 32 32,1 30,1 29,6
Таблица 2
Свойства силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород незавершенной стадии минералообразования
Сырьевые ресурсы Активность сырьевой смеси, % Давление автоклавной обработки, МПа Время изотермической выдержки, ч Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Водопогло-щение, % Морозостойкость, циклов
Традиционное известково-песчаное сырье 6-8 0,8-1 6-8 1800-1850 20-30 10-12 25-35
Вскрышные породы КМА 4-8 0,4-1 3-4 1850-2000 25-40 7-10 35-50
Глинистые породы АПП 1800-1950 30-45 8-11 35-50
Глинистые отходы обогащения песков Новгородской области 1850-2000 25-35 9-10 35-50
Суглинки Республики Йемен 1800-1900 30-45 10-13 35-50
■ '■■Ч'.-: > ^ ■ Г;-' научно-технический и производственный журнал
® сентябрь 2016 35
Рис. 3. Макро- и микроструктура акустических материалов на основе глинистых пород незавершенной стадии минералообразования, РЭМ: а - х50; б - Х750; в - Х26000
Рис. 4. Цветные декоративно-акустические материалы
пользованием вскрышных глинистых пород Курской магнитной аномалии (КМА), Архангельской алмазоносной провинции (ААП), месторождений различных регионов Российской Федерации и ряда зарубежных государств.
Высокая реакционная способность сырья ускоряет синтез и формирование цементирующего соединения, что позволяет существенно сократить время гидротермальной обработки изделий, а также снизить давление в автоклаве. Формирование рациональной структуры цементирующего соединения, которая обеспечивает максимальную прочность силикатных материалов, происходит в течение 3 ч изотермической выдержки (табл. 1), что в два раза меньше, чем при производстве традиционных известково-песчаных силикатных материалов. При этом возможно сокращение расхода извести.
Энергоемкость производства сокращается не только за счет снижения параметров автоклавной обработки, но и при подготовке сырья. За счет высокой дисперсности глинистых пород на помол известково-глинисто-го вяжущего затрачивается меньше времени, чем на приготовление традиционного известково-песчаного вяжущего.
С использованием сырья различных месторождений по энергосберегающеей технологии получены силикатные материалы с пределом прочности при сжатии до 40—45 МПа, что в 1,5—2 раза выше прочности традиционных силикатных материалов (табл. 2).
Высокая дисперсность глинистых пород позволяет повысить прочность сырца в 2—4 раза, что облегчит формование высокопустотных стеновых силикатных материалов со средней плотностью 1000—1300 кг/м3. При этом объем используемого исходного сырья сокращается до 30—35 %. Такие изделия за счет снижения массы
быстрее разогреваются в автоклаве, что сокращает расход энергии.
Повышение эффективности строительства во многом определяется снижением материалоемкости строительных конструкций и снижением их теплопроводности без существенных потерь несущей способности. Кроме того, особую актуальность приобретают задачи получения эффективных теплоизоляционных материалов.
С использованием изучаемых сырьевых ресурсов получены ячеистые конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные материалы с низкими энергозатратами на производство. Высокая дисперсность сырья позволяет исключить его предварительный помол при изготовлении сырьевой смеси. Время изотермической выдержки изделий в автоклаве сокращается в два раза. Возможно снижение давления автоклавной обработки без существенного снижения физико-механических свойств изделий. Снижение давления автоклавной обработки особенно актуально для тех предприятий, на которых автоклавы исчерпали свой ресурс.
Полученные конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные материалы обладают высокими физико-механическими характеристиками (табл. 3). Предел прочности при сжатии таких материалов на 15—20% выше, чем на традиционном известково-песчаном сырье, а теплопроводность меньше на 10—15%.
Фазовый состав цементирующего соединения ячеистых бетонов на основе песчано-глинистых пород более сложный, что снижает его теплопроводность в сравнении с цементирующим соединением на основе известко-во-песчаного вяжущего. За счет этого снижается теплопроводность межпоровых перегородок и соответственно теплопроводность ячеистого бетона в целом (табл. 3).
В последние десятилетия население городов и особенно мегаполисов столкнулось с новой проблемой — шумовой агрессией. Человек все больше страдает от ее пагубного воздействия. Учитывая отрицательное воздействие шума на человеческий организм, большое значение для строительной индустрии имеет разработка нового поколения акустических материалов, которые позволят поглощать большую часть кинетической энергии звуковой волны и снизить негативное воздействие шума.
На основе нетрадиционного сырья получены как звукопоглощающие, так и звукоотражающие материалы, использование которых в строительстве не только позволит снизить себестоимость производства и затраты на эксплуатацию конечной продукции, но и существенно улучшит комфортность среды обитания человека. Полученные акустические материалы имеют откры-
Таблица 3
Свойства ячеистых бетонов на основе глинистых пород незавершенной стадии минералообразования
Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа Влажностная усадка, мм/м Марка по морозостойкости, F Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-оС)
Конструкционно-теплоизоляционные
700 4,5-5,4 0,4-0,5 15-25 0,14-0,16
500 2,9-3,4 0,45-0,5 15-25 0,1-0,11
Теплоизоляционные
400 2-2,4 - - 0,08-0,09
250 0,7-0,8 - - 0,053-0,055
научно-технический и производственный журнал ^^(д
сентябрь 2016
тую, закрытую и сообщающуюся пористость, а также сочетают крупные и мелкие поры, что обусловливает эффективное звукопоглощение в широком диапазоне частот звуковой волны (рис. 3). За счет полиминерального состава цементирующего соединения и большого количества гетерозернистых кристаллических фаз, формирующих мелкопористые перегородки, эффективность звукопоглощения значительно выше, чем извест-ково-песчаных автоклавных материалов с мономинеральным составом новообразований.
Актуальной задачей является получение стеновых материалов, обладающие не только высокими эксплуатационными, но и декоративными качествами, к которым относится колористика. Коэффициент белизны силикатного кирпича составляет 55—60% от эталона белизны сульфата бария, что позволяет окрашивать его в любой цвет. Наиболее эффективным способом является объемное окрашивание. Глинистые породы незавершенной стадии минералообразования обладают широкой цветовой гаммой: желтый, коричневый, красный и т. д. Это позволяет использовать их для получения ши-
Список литературы
1. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. М.: АСВ, 1994. 264 с.
2. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Структура и свойства бетонов с наномодификатора-ми на основе техногенных отходов. М.: МГСУ, 2013. 203 с.
3. Лесовик В.С., Фролова М.А., Айзенштадт А.М. Поверхностная активность горных пород // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 71—73.
4. Чернышов Е.М., Федин А.А., Потамошнева Н.Д., Кухтин Ю.А. Газосиликат: современная гибкая технология материала и изделий // Строительные материалы. 2007. № 4. С. 4-9.
5. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Силикатные автоклавные материалы с использованием нанодисперс-ного сырья // Строительные материалы. 2008. № 11. С. 42-44.
6. Лесовик В.С. Геоника (Геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении. 2-е изд. Белгород: БГТУ, 2016. 287 с.
7. Строкова В.В., Сумин А.В., Нелюбова В.В., Шаповалов Н.А. Модифицированное вяжущее с использованием наноструктурированного минерального компонента // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 3. С. 36-39.
8. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 45-48.
9. Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. Л.: Стройиздат, 1978. 368 с.
10. Хвостенков С.И. О химизме процесса взаимодействия в системе Ca(OH)2—SiO2—H2O в условиях гидротермального синтеза // Строительные материалы. 2008. № 5. С. 76-81.
11. Строкова В.В., Везенцев А.И., Колесников Д.А., Шиманская М.С. Свойства синтетических наноту-булярных гидросиликатов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 4. С. 30-34.
12. Жерновский И.В., Нелюбова В.В., Череватова А.В., Строкова В.В. Особенности фазообразования в системе CaO-SiO2-H2O в присутствии нанострукту-рированного модификатора // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 100-102.
рокой номенклатуры объемно-окрашенных отделочных материалов: колотого силикатного кирпича, декоративной силикатной плитки, облицовочной плитки, декоративно-акустических материалов (рис. 4).
Важно отметить, что введение в технологию силикатного производства глинистых пород незавершенной стадии минералообразования для частичной или полной замены традиционного песка не повлечет кардинального изменения технологических линий.
Таким образом, установлена возможность замены части традиционной сырьевой базы автоклавных силикатных материалов — песка — на глинистые породы незавершенной стадии минералообразования. Предложена широкая номенклатура эффективных автоклавных материалов на их основе, в том числе стеновых, отделочных, конструкционно-теплоизоляционных, теплоизоляционных и акустических. Использование таких пород позволит не только расширить сырьевую базу силикатных материалов и снизить энергоемкость их производства, но и улучшить экологическое состояние окружающей среды и создать комфортные условия проживания человека.
References
1. Bozhenov P.I. Kompleksnoe ispol'zovanie mineral'nogo syr'ja i jekologija [Complex use of mineral raw materials and ecology]. Moscow: ACB, 1994. 264 p. (In Russian).
2. Bazhenov Y.M., Alimov L.A., Voronin V.V. Struktura i svoystva betonov s nanomodifikatorami na osnove tekh-nogennykh otkhodov [Structure and properties of concrete with nanomodifiers based on man-made waste]. Moscow: MGSU, 2013. 203 p. (In Russian).
3. Lesovik V.S., Frolova M.A., Ayzenshtadt A.M. Surface Activity of Rocks // Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 71-73. (In Russian).
4. Chernyshov E.M., Fedin A.A., Potamoshneva N.D, Kuhtin Ju.A. Gazosilikata: modern a flexible technology materials and products // Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 4, pp. 4-9. (In Russian).
5. Volodchenko A.N., Lesovik V.S. Silicate materials with autoclave is-use of nanosized materials. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2008. No. 11, pp. 42-44. (In Russian).
6. Lesovik V.S. Geonika (Geomimetika). Examples of implementation of the builder-rated materials science: a monograph. 2nd ed. Belgorod: BDTU, 2016. 287 p.
7. Strokova V.V., Sumin A.V., Nelyubova V.V., Shapova-lov N.A. The modified binder using nanostructured mineral component. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2015. No. 3, pp. 36-39. (In Russian).
8. Volodchenko A.N., Lesovik V.S. The rheological properties of gas concrete mixture on the basis of non-traditional raw materials. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2012. No. 3, pp. 45-48. (In Russian).
9. Bozhenov P.I. Tekhnologiya avtoklavnykh materialov [Technology autoclave materials]. Moscow: Stroyizdat, 1978. 368 p. (In Russian)
10. Hvostenkov S.I. About the chemistry of the process of interaction in the system Ca(OH)2—SiO2—H2O in a hydrothermal synthesis. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2008. No. 5, pp. 76-81. (In Russian).
11. Strokova V.V., Vezentsev A.I., Kolesnikov D.A., Shimanskaya M.S. Properties of synthetic nano-tubular Hydrosilicates. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2010. No. 4, pp. 30-34. (In Russian).
12. Zhernovsky I.V., Nelyubova V.V., Cherevatova A.V., Strokova V.V. Features of the phase formation in the system CaO—SЮ2—H2O in the presence of nanostructured modifier. Stroitel'nye materially [Construction Materials]. 2009. No. 11, pр. 100-102. (In Russian).
■ ■■■','J'.-: i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал ® сентябрь 2016
