Реферат: Хинт Йоханнес Александрович «О некоторых основных вопросах автоклавного изготовления известково-песчаных изделий» (1954 год, 80 страниц, 1500 экземпляров)

Хинт Йоханнес Александрович «О некоторых основных вопросах автоклавного изготовления известково-песчаных изделий» (1954 год, 80 страниц, 1500 экземпляров).


ОБЛОЖКА И 1-Я СТРАНИЦА


МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЭСТОНСКОЙ ССР


О НЕКОТОРЫХ

ОСНОВНЫХ ВОПРОСАХ

АВТОКЛАВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ИЗВЕСТКОВО-ПЕСЧАНЫХ

ИЗДЕЛИЙ


ЭСТОНСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

ТАЛЛИН 1954


ПРЕДИСЛОВИЕ


В настоящей работе рассматриваются некоторые положения теории автоклавных процессов проф. Волженского в связи с результатами исследований, полученными в течение последних лет в опытном цехе завода “Кварц”.

Специфика структуры силикальцитных монолитов пока ещё недостаточно изучена. До сих пор она рассматривалась аналогично структуре цементобетона, но такая аналогия не имеет оправдания.

Свойства цемента, как вяжущего, обусловлены минералами, образующимися при обжиге клинкера; при этом большое значение имеет тщательный подбор сырьевых материалов, их тонкий помол и хорошее смешение, точный режим обжига, тонкий помол клинкера и т.п. Свойства цементного камня – прочность, коррозиоустойчивость и морозостойкость и т.п. – зависят, в первую очередь, от свойств цемента уже во вторую от приготовления цементобетонных смесей и способов формования. Несколько иное положение у автоклавных известково-песчаных монолитов. Здесь вяжущее образуется при автоклавной обработке, т.е. после формовки изделий, и зависит прежде всего от самого приготовления известково-песчаных смесей и плотности сырца. Поэтому понятно, что смешивание смесей, например в дезинтеграторе, и колебания объёмного веса сырца вызывают значительные изменения в качестве запаренных изделий.

Исторические директивы XIX съезда партии предусматривают развитие производства строительных деталей. Большую перспективу применения в строительстве имеют детали из известково-песчаной массы, благодаря высококачественным техническим показателям и распространённости сырья, из которого они изготавливаются.

Основной предпосылкой успешного развития этой области служит понимание сущности автоклавных процессов твердения известково-песчаных смесей.

Исследования и опыты, послужившие основой этой работы, были осуществлены при участии коллектива опытного цеха завода “Кварц”. Большую помощь при этом оказал министр промышленности строительных материалов Эстонской ССР тов. А. Г. Нейман. В составлении настоящего труда мною получены ценные указания от проф. А. В. Волженского, проф. О. А. Маддисона, инж. Х. Ф. Иоости и инж. Л. С. Ванаселья.


Таллин, ноябрь 1953.


^ I. О ВОЗМОЖНОСТИ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ КОМПОНЕНТОВ РЕАКЦИИ,

В ЧАСТНОСТИ МОЛЕКУЛ Ca(OH)2, В ПРОЦЕССЕ ОБРАЗОВАНИЯ МОНОЛИТА


Советскими учёными (Волженский, Юнг, Будников, Смирнов, Бутт и т.д.) установлено, что при запаривании смесей извести - песка - воды в результате взаимной химической реакции исходных материалов возникает вяжущее гидросиликат кальция с общей формулой: x CaO • y SiO2 • z H2O. Это связующее связывает между собой зёрна песка в монолит, в результате чего получают из сырца готовое камневидное силикатное или силикальцитное изделие. При поисках наиболее экономной технологии производства прежде всего необходимо знать характер протекания этой реакции. При этом вопрос состояния компонентов имеет особенно большое значение. К сожалению исследователи не уделяют достаточного внимания динамике образования монолита. Хотя проф. Волженским (1) уже около 10 лет назад было отмечено:

… «При рассмотрении исследований и воззрений различных авторов по вопросам запаривания силикатного кирпича необходимо заметить, что усилия исследователей направлены преимущественно на определение состава цементирующего вещества и при этом не уделяется должного внимания динамике его возникновения и анализу обстановки, в которой происходит цементация песчинок. Как следствие этого, отсутствует понимание роли пара и тех процессов, из которых складывается “запаривание”» …

Исследования проф. Ю.М. Бутта и С.А. Кржеминского (2, 3, 4, 27, 29) по изготовлению известково-песчаных изделий, опубликованные в 1953 г., показывают, что в этой области положение существенно не изменилось. В этих трудах рассматривается влияние различных добавок на прочность изделий и химический состав соединений, возникающих при применении различных смесей и автоклавных режимов. Эти исследования как теоретически, так и практически, безусловно имеют весьма важное значение, но недостаточно поясняют основные процессы образования в автоклаве готового изделия из автоклавного известково-песчаного сырца. Они не вносят существенных дополнений в теорию автоклавных процессов, зафиксированную проф. Волженским (1). В чём эта теория, оказавшая исключительное влияние на развитие приготовления и исследования известково-песчаных изделий? Предоставим говорить о её сущности самому проф. Волженскому (1):

… «Достаточная эффективность автоклавной обработки обусловливается тем, что температурное воздействие сочетается здесь с обязательным наличием в материале водной среды, которая благоприятствует протеканию реакций образования цементирующих веществ с максимальной интенсивностью».

… «Образующийся в порах конденсат растворяет присутствующий здесь гидрат окиси кальция и другие растворимые вещества, входящие в состав изделия. Образование растворов в массе материала приобретает особое значение в понимании процессов запаривания» …

… «Исключительное значение имеют реакции водной фазы. Роль пара при “запаривании” сводится только к сохранению жидкой воды в материале в условиях повышенных и высоких температур. В отсутствии пара происходило бы немедленное испарение воды, высыхание материала и полное прекращение реакций образования цемента» …

… «С момента достижения автоклавом наибольших температур запаривания, ограничивающихся обычно 170 - 200º, наступает вторая стадия запаривания. В это время максимальное развитие получают все те процессы, которые ведут к образованию монолита и которые начались ещё в период нагревания сырца паром. К этому моменту поры сырца в достаточной степени заполнены раствором гидрата окиси кальция, непосредственно соприкасающимся с кремнеземом песчинок. Таким образом в рассматриваемых условиях взаимодействие между известью и кремнеземом протекает при наличии твёрдой фазы» …

… «Растворимость различных видов кремнезема в воде доказана опытами ряда исследователей. Так Plaff, Delesse наблюдали явственное растворение кварца в воде уже при температурах 18 - 100º. При более высоких температурах он ещё в большей степени подвержен растворяющему действию воды (Spezia, Konigsberger и Muller), но растворимость кремнезема в большей степени повышается при добавлении к воде тех или иных щелочей. Интенсивность действия последних на растворимость кремнезема зависит главным образом от создаваемой ими концентрации гидроксильных ионов OH в растворе. Концентрация же их зависит от как от количества щёлочи в растворе, так и от степени диссоциации её. Эти условия и создаются в порах сырца при запаривании; с одной стороны кремнеземнистый материал в виде твёрдых пещинок с кислотной функцией и, с другой стороны, раствор щёлочи кальция, где находятся ионы ОН.

Чем выше температура, чем мельче песчинки и, следовательно, больше реагирующая поверхность их, и чем легче разложима данная модификация кремнезема, тем скорее протекают процессы взаимодействия между SiO2 и CaO при одной и той же концентрации ОН-ионов. Количество же последних определяется концентрацией Ca(OH)2 в растворе. Кривая растворимости гидрата окиси кальция в воде с повышением температуры неблагоприятна для производства силикатного кирпича ... Поэтому сокращение времени запаривания, достигаемое увеличением температуры, в некоторое степени парализуется падением растворимости извести и уменьшением концентрации гидроксильных ионов. Из сказанного вытекает, что во взаимодействии песка с известью в первую очередь выступают ионы ОН. Они гидратируют инертные молекулы SiO2 и тем делают их способными к последующим реакциям с ионом Ca … ».

По мнению проф. Волженского образование цементирующего вещества при запаривании в автоклаве известково-песчаных смесей протекает в жидкой фазе, где Ca(OH)2 принимает участие в реакции в виде водного раствора. Считалось, что свобода движений молекул в такой реакции равна свободе движения молекул в реакциях, протекающих в водных растворах. В соответствии с таким пониманием и сложилась технология производства силикатного кирпича. До настоящего времени применялись два способа изготовления силикатного кирпича - силосный и барабанный. В чём сущность этих способов.

1) Если взаимодействие компонентов реакции происходит в состоянии модного раствора, т.е. при большой степени свободы размещения молекул в окружающей их среде, то качество смешивания компонентов до растворения в сухом состоянии не может оказать на реакцию существенного влияния.

Поэтому в обоих случаях не обращается особого внимания на гомогенизацию массы, на их хорошее смешивание, на покрытие поверхности зерён песка равномерным тонким слоем извести. Предполагалось, что лучшее смешение компонентов имеет значение лишь в улучшении удобообрабатываемости массы.

2) Если условием протекания реакции между компонентами является растворение SiO2, то сумма и характер поверхностей песчинок может оказать на реакцию только незначительное воздействие.

Суммарная поверхность зёрен, острота их граней и чистота их поверхностей рассматриваются, как и у цементобетона, только с точки зрения их механического значения, а не присваивая им значение фактора, оказывающего воздействие на возникновение цементирующего вещества. В обеих технологиях приготовления извесково-песчаных смесей обработка поверхностей песчинок не используется.

Обоснованы ли вышеуказанные положения теоретически и промышленной практикой? Рассмотрим вопрос более детально.

Ещё С.М. Розенблит (5) указывал на встречающиеся в производстве факты, когда при изготовлении силикатного кирпича довольно значительная часть извести остаётся свободной даже при длительном пребывании в автоклаве. При этом песок участвует в реакции лишь в незначительной мере, - 5 - 7%.

При смешении известково-песчаных смесей в силикатном кирпиче часто остаются куски извести, диаметром несколько миллиметров. Практически они сохраняются неизменными в продолжении всего автоклавного процесса, не входят в раствор и не реагируют с песком. Нередко в силикатном кирпиче содержатся также кусочки, состоящие из мелкого песка, сцементировавшегося в природных условиях. При запаривании также и они остаются в прежнем виде.

Возникают следующие вопросы. Если в изделиях известь до реагирования с песком переходит в раствор, предоставляя при этом молекулам извести сравнительно широкую возможность размещения, почему в таком случае после запаривания в изделиях остаются незатронутые куски извести и также не малое количество свободной извести? Ведь другой компонент – песок – остаётся в большей своей массе нереагированным. Почему известковый раствор не проникает в куски мелкого песка и не порождает из него вязущего? И так далее.

Известно, что тщательно перемешанные известково-глиняные смеси после твердения а автоклаве дают сравнительно прочный монолит. Несмешавшиеся с известью куски глины, даже сравнительно небольшие, 0,5 мм величины, после запаривания остаются в силикатном кирпиче той же глиной. Почему раствор извести не проникает в них и не происходит процесс твердения?

Почему при изготовлении прочного силикатного кирпича чрезвычайно важное значение имеет тонкость помола извести? Если при автоклавном процессе поры изделий полностью заполняются водой - а именно так и обстоит дело, - то почему же в таком случае миллиметровые комья извести не растворяются?

Известно также, что при запаривании реагирование компонентов известково-песчаных смесей, спрессованных под высоким давлением, происходит более плотно, чем у менее сжатых. Соответствующий опыт, произведённый нами, показал следующее.

Таблица 1

Смесь

Условное обозначение образца

Объёмный вес образца, г/см3

Формовочное давление образца, кг/см2

Прочность образца на сжатие после запаривания, кг/см2

^ Из находившегося в образце SiO2при запаривании перешло в растворимую форму, %

1

2

3

4

5

6

Дезинтег. смесь опытного цеха: удельная поверхность песка – 355 см2/г, активность – 8% CaO

Свободная неуплотнённая смесь

-

-

-

9,6

I – 1

1,62

Из-за незначительности нельзя было измерить

156

10,0

I – 2

1,81

37

293

10,2

I – 3

1,95

262

456

9,8

I – 4

2,02

479

554

8,9

Промышленная смесь завода “Кварц”: удельная поверхность песка – 102 см2/г, активность – 8% CaO

Свободная неуплотнённая смесь

-

-

-

4,2

II – 1

1,62

Из-за незначительности нельзя было измерить

39

4,7

II – 2

1,81

139

124

6,1

II – 3

1,95

511

156

5,6

II – 4

2,02

760

221

5,8


Были взяты две различные известково-песчаные смеси равной активности, 8% CaO, из которых одна являлась производственной смесью завода силикатного кирпича “Кварц” (смесительный барабан), а другая – опытного цеха силикальцитных изделий (дезинтегратор) того же завода. После удаления из них извести соляной кислотой была определена удельная поверхность оставшегося песка. У первой смеси она составляла 102, у дезинтеграторной – 355 см2/г. Обе смеси были увлажнены до 6% влажности и из них на гидравлическом прессе были отформованы образцы различных объёмных весов – цилиндры с основанием 26,4 см2и высотой, равной диаметру. Различные плотности придавались помещением в цилиндры не одинаковых количеств смеси. Формовочные давления, необходимые для получения данной плотности, были зарегистрированы. В автоклав в фарфоровых чашечках было помещено также несколько сот граммов обеих смесей, свободно, в неотформатированном виде. Образцы и чашечки со смесями запаривались совместно в промышленном автоклаве в течение 8 час. при 9 ати давления пара. После извлечения образцов из автоклава и выдерживания их в помещении лаборатории в течении 48 часов, была определена их прочность на сжатие. Относительное количество содержащейся в образцах растворимой кремнекислоты было определено по методу, описанному в последней главе настоящей работы. Результаты приведены в табл. 1.

Данные табл. 1 о количестве SiO2, перешедшей в автоклаве в растворимую форму, в зависимости от объёмного веса изделия, представлены графически на рис. 1.




Объёмный вес, г/см3

Рис. 1.


Как видно из данных табл. 1 и рис. 1, у обеих смесей количество SiO2, перешедшее при запаривании в растворимую форму, возрастает с ростом объёмного веса изделия до 1,8. Далее рост прекращается и можно заметить его снижение. Как мы увидим ниже, это можно объяснить качественным изменением микробетонной структуры изделия и зависимой от неё микроструктуры вяжущего, происходящим при уплотнении свыше известной степени. Данные таблицы показывают, что у дезинтегрированной смеси количество растворимой SiO2 значительно больше, чем у бывшей в соответствующих же условиях обычной. Прочности на сжатие у образцов из дезинтегрированной смеси тоже значительно выше. Для получения одинаковых объёмных весов, при формовке дезинтегрированной смеси потребовались значительно меньшие формовочные давления, чем при обычной. Так как формовка производилась на медленно работающем гидравлическом прессе, где время, ушедшее на формование, не могло оказать воздействие на требуемые значения формовочных давлений, а также принимая во внимание бо`льшую дисперсность дезинтегрированных смесей, позволяющую фактору времени формования именно у этой смеси воздействовать на требуемые давления в увеличивающем направлении, то, как видно из вышеприведённых данных, дезинтегрированная смесь имеет и лучшую уплотняемость.


* * *


Переход всей содержащейся в изделии извести во время автоклавного процесса в водный раствор маловероятно также и по теоретическим соображениям. Это видно из следующего простого расчёта. В одном килограмме известково-песчаной смеси 7% активности содержится 70 г CaO. Опыты проф. Волженского (1) показали, что при запаривании изделий их влажность в автоклаве достигает максимально до 11%, т.е. в порах 1 кг запаренного изделия содержится максимальной 110 г воды. Так как в 100 г раствора при температуре 170º содержится максимально 0,012 г CaO, то для растворения в автоклаве всей извести раствор должен быть насыщен молекулами извести и они должны переходить из раствора в соединение


раз


и это в течение 8 часов, в условиях, когда процесс растворения происходит при неподвижности (без смешивания) растворителя. Но так как во время автоклавного процесса часть молекул воды непрерывно химически связывается, фактически полученное число должно быть ещё больше.

Всё это показывает, что в процессах образования в автоклаве монолита из известково-песчаных смесей молекулы как песка, так и извести имеют относительно малую свободу движения. Приводимые ниже опыты ясно показывают, что если молекула SiO2 находится на расстоянии более чем на 0,2 мм от молекулы Ca(OH)2, то при обычных режимах запаривания (давление пара 10 ати, продолжительность 8 час.) она уже не принимает участия в реакции. Не входя в обсуждения о том, переходят ли молекулы SiO2 и Ca(OH)2 в водный раствор до соединения друг с другом, или их соединение при господствующем в автоклаве потенциале энергии происходит помимо промежуточной жидкой фазы, следует, придерживаясь фактов, принимать теорию проф. Волженского не так, как её обычно трактуют. По нашему мнению, основываясь на экспериментальном материале и производственной практике настоящего времени, состояние компонентов в автоклаве при образовании монолита из известково-песчаных смесей будет правильнее представить себе следующим образом:

1. Уже тот факт, что при запаривании известково-песчаных смесей химически связывается бо`льшая часть извести, а часть SiO2 переходит из кристаллической нерастворимой модификации в растворимое состояние, ставит вне сомнения мнение многих авторов, как Михаэлса, Волженского, Смирнова и других, в том, что в автоклаве между частицами извести и песка происходит химическая реакция. Для того же, чтобы химическая реакция состоялась, необходимо соприкосновение реагирующих молекул, т.е. их одновременное пребывание в одной точке пространства.

2. Определения (1, 3, 6) химически связанной воды в запаренных силикатных и силикальцитных изделиях показало, что на одну молекулу SiO2 и CaO в готовом изделии приходится по крайней мере одна молекула H2O. Так как выпуск пара из автоклава несомненно сопровождается дегидратацией (1), то в течение процесса возникновения вяжущего кроме молекул воды, связанных с Ca(OH)2, участвуют также и свободные молекулы воды. Поэтому на образование вяжущего гидросиликата следует смотреть как на тримолекулярную реакцию, т.е. в ней принимают участие молекулы SiO2, Ca(OH)2 и H2O.

3. Если принять во внимание сравнительно высокую химическую устойчивость и инертность сока, т.е. кристаллической SiO2, что отмечается особо и проф. Волженским (1), то предположение, что SiO2 при запаривании а автоклаве смесей извести – песка – воды реагирует в твёрдой фазе или близкой к ней, является вполне вероятным. Надо полагать, что SiO2 может участвовать в реакции только частицами своей поверхности. Далее, отсюда следует, что реакция зависит не от объёмной концентрации ионов SiO2, а от величины поверхности и активности или пассивности молекул, расположенных на поверхности или вблизи её. Следовательно, чем больше общая площадь поверхности песчинок, чем тоньше песок, тем благоприятнее условия протекания реакции у песков с одним и тем же характером поверхности.

… «Как известно (7, 1, стр. 117), химическая реакция между теми или иными вяжущими вовсе не обязательно должна происходить при каждом столкновении их частиц. Может иметь место ряд таких встреч, после которых молекулы расходятся неизменёнными, в других же случаях, когда сталкиваются более активные молекулы, они вступают в химическое взаимодействие. Вполне понятно, относительно число подобных "успешных" встреч в первую очередь определяется природой самих реагирующих веществ … Особенно реакционно-активными молекулами могут быть прежде всего наиболее “быстрые”, обладающие в момент столкновения значительной кинетической энергией. Затем ими могут быть молекулы возбуждённые, некоторые из электронов, которые находятся не на нормальном, а на каком-либо более высоком энергетическом уровне. Наконец, активными могут быть все молекулы, внутреннее строение которых (расстояние между атомными ядрами и т.д.) в момент столкновения отличается от наиболее устойчивого. Во всех этих случаях избыточная энергия молекулы обусловливает её повышенную химическую активность … При повышении температуры растёт не только число столкновений, но и доля успешных – поэтому так быстро увеличиваются скорости реакции при нагревании».

Исследования проф. Журавлёва (25) показали, что активные гидравлические добавки как силикагель и трепел находятся, в основном, в кристаллической модификации.

… «Высокую активность гидравлических добавок следует объяснять не только наличием аморфного кремнезема, но и дефектами кристаллической решётки кристаллов кремнезема, что фиксируется при рентгенографическом исследовании. Дефекты кристаллической решётки облегчают реакцию извести с кремнеземом» …

Принимая во внимание приведённое выше, следует предположить, что для протекания реакции существенное значение имеет не только лишь величина поверхности песчинок, но также и характер их поверхности, т.е. состояние молекул, находящихся на поверхности. До настоящего времени в производстве известково-песчаной продукции на последнее обращалось очень малое внимание.

4. В автоклавном процессе свобода движений молекул извести не особенна велика. В целях получения некоторых численных показателей по этому вопросу нами произведены следующие опыты.


Опыт 1.


Известково-песчаная смесь приготовлялась в лабораторном дезинтеграторе опытного цеха завода силикатного кирпича “Кварц”. Содержание CaO в смеси равнялось 25,1%, удельная поверхность песка в смеси 2310 см2/г. В стеклянную колбу с означенной смесью был налит водный раствор H:Cl 1:3 температурой, примерно, 80ºС, со значительным перевесом HCl по отношению к извести, находящейся в смеси. После 10-минутного разбалтывания в колбе смесь отфильтровывали. Песок, оставшийся на фильтровальной бумаге, промывали тёплой дистиллированной водой до тех пор, пока он более не реагировал с индикатором ff. Песок был высушен. Далее смесь и песок, равномерно увлажнённые водой, первая до 10%, вторая до 5% содержания влажности, были запрессованы послойно в металлическую цилиндрическую форму, с внутренним диаметром 50 мм, согласно схеме на рис. 2.






1. слой смеси 3,5 мм, 14 г

2. слой песка 2,4 – 2,8 мм, 10,4 г

3. слой смеси 5,4 мм, 21 г

4. слой песка 1,2 - 1,4 мм, 5,2 г

5. слой смеси 4,5 мм, 18 г

6. слой песка 0,6 – 0,7 мм, 2,6 г

7. слой смеси 17,5 мм, 70 г


Рис. 2.


Прессование производилось на гидравлическом прессе. Примерно 70 г увлажнённой смеси было уложено более или менее равномерным слоем на дно формы, установленной на металлический поддон. При помощи металлического поршня, соответствующего диаметру формы, смесь прессовалась под давлением 900 кг/см2. После удаления поршня из цилиндра, на полученную гладкую поверхность слоя смеси накладывался равномерный слой 2,6 г увлажнённого песка. Во избежание вдавливания песчинок в поверхность отформованной смеси, песок во всех случаях спрессовывался с помощью того же поршня под давлением 100 кг/см2. Таким образом был изготовлен слоистый образец (рис. 2). Образец запаривали в форме в промышленном автоклаве в течение 8 час под 9 – 10-ати давлением пара. После запаривания, при помощи того же поршня образец был вытолкнут из цилиндра. Все слои смеси оказались затвердевшими и обладали высокой прочностью. В то же время ни один слой песка не показал признаков твердения. Песок легко отделялся от поверхности затвердевших слоёв смеси в виде рассыпающихся отщеплений с гладкой поверхностью.

Далее поверхность затвердевших слоёв смеси вытиралась ватой. Также и при рассмотрении этой поверхности под микроскопом прилипания к нему песчинок не было обнаружено.

Снимок выдавленного из цилиндра слоистого образца приведён на рис. 3.




Рис. 3.


Слои песка, запаренные между смесью, были помещены отдельно в стеклянные чашечки, и на них был налит индикатор ff. Ни в одном случае не было заметно изменения в окраске в мере, оправдывающей титрование HCl-ом. Попытки установить наличие свободной извести в затвердевших слоях смеси определением её по методу Emley положительных результатов не дали.


Опыт 2


Для того, чтобы при сжатии получить под поршнем гладкую поверхность, в первом опыте применялся сравнительно мелкий песок. Активность смеси была также и здесь сравнительно высокой, но, учитывая высокую удельную поверхность песка, могло случиться, что непосредственно в начальной стадии реакции вся свободная известь, содержащаяся в смеси, связывалась с находившимися на поверхности песчинок молекулами SiO2, и молекулы свободной извести не могли продвигаться к чистому песку. Чтобы избежать этого, был произведён второй опыт.

Аналогично изготовлению образца в опыте 1 был спрессован другой слоистый образец (см. схему на стр. 4) из трёх компонентов: 1) сухого, гашёного порошка извести активностью 69,9% CaO, увлажнённого указанным выше способом до 10% влажности; 2) смеси, приготовленной в лабораторном дезинтеграторе, активностью 37% CaO, с удельной поверхностью песка 1280 см2/г, увлажнённой также до 10% содержания влажности, и 3) чистого песка, отмытого из такой же смеси таким же образом как в первом опыте, увлажнённого до 5% влажности. Чтобы отдельные слои при прессовании не вдавливались друг в друга, слой смеси прессовался под давлением 900, слой песка - 300 и слой извести - 100 кг/см2. Образец запаривался в таких же условиях, как в первом опыте. После запаривания и выталкивания образца из цилиндра все слой оказались легко отделимыми друг от друга. Также и здесь, при лёгком трении ватой, песок свободно отделялся от поверхности затвердевших слоёв, но последние остались слегка шероховатыми. Это указывает на то, что часть зёрен песка прочно пристала к поверхности смесевого слоя. Затвердевшие слои смеси, как было установлено по определению указанным ниже способом, содержали 10,9% свободной извести; следовательно во время автоклавного процесса реагировало 70% извести.

О наличии сцепления песчинок со смесью можно было заключить также по разнице в окраске поверхности. Поверхность слоя смеси, обращённая ко дну формы, имела более тёмную окраску, чем поверхность того же слоя, находившаяся против слоя песка, именно потому, что белый вымытый песок оказался прилипшим к затвердевшему слою смеси.

Наблюдения под микроскопом разреза слоя смеси показывают, что линия, представляющая нижнюю поверхность слоя, оказалась равномерно гладкой, тогда как на линии, представляющей поверхность, находившуюся против песчаного слоя, были ясно видны прилипшие туда песчаные бугорки и отдельные песчинки. Высота бугорков над поверхностью, измеренная по шкале микроскопа, составляла максимально 0,1 мм.







слой смеси 7,5 мм, 30 г

слой песка 0,3 – 0,4 мм, 1,3 г

слой извести 0,3 – 0,4 мм, 1,3 г

слой песка 0,3 – 0,4 мм, 1,3 г

слой смеси 7,5 мм, 30 г

слой песка 0,6 – 0,7 мм, 2,6 г

слой песка 0,6 – 0,7 мм, 2,6 г

слой песка 0,6 – 0,7 мм, 2,6 г

слой смеси 7,5 мм, 30 г

слой песка 1,3 – 1,4 мм, 5,2 г

слой извести 1,3 – 1,4 мм, 5,2 г

слой песка 1,3 – 1,4 мм, 5,2 г

слой смеси 7,5 мм, 30 г

слой песка 2,6 – 2,7 мм, 10,4 г

слой песка 2,6 – 2,7 мм, 10,4 г

слой песка 2,6 – 2,7 мм, 10,4 г

слой смеси 2,5 мм, 10 г


Рис. 4.


Слой извести, находившийся между двумя слоями песка, оказался после запаривания сравнительно прочным. Его уже нельзя было растереть между пальцами, но он сравнительно легко размельчался при растирании в ступке деревянным пестиком. Поверхность известкового слоя была покрыта тёмным налётом, не отделявшимся при стирании ватой. При рассмотрении поверхности разлома этого слоя под тем же микроскопом, по обе стороны его были ясно видны тёмные полоски. По показанию шкалы микроскопа, их толщина составляла от 0,1 до 0,2 мм. Ребро известкового слоя было срезано острым ножом. Полученные ровные поверхности среза были сняты под микроскопом при 25-кратном увеличении (рис. 5). На фотоснимке ясно видна тёмная затвердевшая полоса, шириной 3 – 5 мм. Учитывая 25-кратное увеличение, фактическая толщина затвердевшей полосы равна 0,12 – 0,2 мм.

Как видно из рис. 4, толщина самого тонкого слоя песка составляла не более 0,4 мм. Так как через этот слой слои смеси и извести остались не связанными, то молекулы извести могли диффундировать на расстояние во всяком случае меньше, чем 0,20 мм. Почти то же самое мы видим на снимке 5. Так как при имевшихся в наличии средствах изготовления образца равномерное помещение между извести меньшего чем 0,3 мм слоя песка оказалось весьма затруднительным, то мы не смогли продолжить опыт в этом направлении. Принимая же во внимание, что опыт проводился с мелким песком и при достаточной влажности компонентов, можно на основе вышеприведённых результатов считать, что в процессе твердения известково-песчаных смесей 0,2 мм является при обычном автоклавном режиме максимальным расстоянием возможности движения молекул извести.




Рис. 5.


Отсюда видно, почему частицы мелкого песка или глины, склеивающиеся естественной цементацией, уже начиная с 0,5-миллиметровой величины заметны в структуре силикатного кирпича.

Учитывая достаточную продолжительность протекания реакции (8 – 10 час.) трудно предположить, чтобы молекула извести в водном растворе не могли проникнуть в глубь слоя песка. Правильнее высказать предположение, что известь участвует в реакции не в растворённом виде, т.е. не в жидкой фазе, а в каком-нибудь ином состоянии, при котором свобода движений её молекул соответствует свободе движений молекул в водном растворе.

Отсюда явствует значение тонкости извести, в особенности значение хорошего смешивания известково-песчаного слоя для образования монолита. Но так как известь при гашении всегда размельчается на частицы меньше 0,1 мм, то ясно, что тонкость помола негашеной извести не может иметь непосредственное воздействие на качество изделий. Так как тонкая известь смешивается с песком лучше крупной, то это воздействие должно проявляться только через смешение компонентов. Гомогенизация же известково-песчаных смесей – их смешение в соответствующем агрегате – целесообразно производить только после гашения извести.


^ II. О СТРУКТУРЕ МОНОЛИТА


1. Общие вопросы и вопросы макробетонной структуры


Автоклавный процесс, применяемый в производстве искусственных монолитов на базе минеральных сыпучих материалов (песок, гравий), существенно отличается от процессов образования монолита при твердении цементов при обычной температуре. Если в последнем случае основной материал (песок, гравий) в процессе твердения фактически участия не принимает, то при твердении в автоклаве известково-песчаных смесей зёрна песка являются одним из компонентов реакции.

Цементы, как вяжущее, твердеющее при обычной температуре, и бетоны, изготовляемые на базе минеральных наполнителей, имеют т.н. конгломератную структуру. Как известно, при определении характера внутреннего строения таких материалов рассматривается (8, 9):

1. макробетонная структура (цементбетон, цементные растворы),

2. микробетонная структура (цементный камень),

3. структура вяжущего (цементный клей).

Если у макробетонной структуры связывающими силами являются главным образом поверхностные силы, действующие между вяжущими и заполнителями, адгезионные и кохезионные силы, то у структуры чистого вяжущего эти силы являются силами, связанными с внутренним расположением атомов и ионов вещества. Как известно, эти внутренние силы представляют собой междуионное притяжение кристаллов, характеризуемое энергией кристаллической решётки, т.е. энергией, могущей выделяться при образовании грамм-молекулярного количества кристаллов из свободных газообразных ионов (7, 1, стр. 166).

В микробетонной структуре приходится иметь дело несомненно с этими обеими силами.

Зёрна песка автоклавных известково-песчаных изделий являются в образовании вяжущего как заполнителем, так и компонентом. Такие материалы можно рассматривать аналогично обычным микробетонам, и для изучения их внутреннего строения достаточно рассмотреть:

1. микробетонную структуру (силикальцитные изделия),

2. структуру вяжущего (гидросиликат кальция).

У монолитов с микробетонной структурой, как, например, у цементбетона, цементного раствор и т.п., после их раздробления наблюдается три различные картины разрушения (8):

1. если количество цементного раствора в бетоне равно количеству пустот в щебне бетона и сам раствор имеет значительную прочность, то при разрушении кубиков трещины проходят по щебню, в котором возникают высокие местные напряжения. Такой же характер разрушения наблюдается и при испытании кубиков из раствора, если прочность зёрен песка незначительна;

2. если количество цементного раствора в бетоне с избытком превышает объём пустот в щебне и прочность самого раствора значительно ниже прочности щебня, то при разрушении кубика трещины проходят только по раствору, обходя щебень;

3. очень часто при раздроблении бетона зерно гравия отделяется от охватившего его раствора. Такое же отделение зерна песка от цементного камня нередко наблюдается при раздроблении затвердевшей смеси. При этом гнездо, в котором находилось зерно песка или гравия, имеет вид блестящего стекла. Такая картина разрушения возникает по той причине, что тангенциальные силы превышают силы, действующие между вяжущим и зёрнами песка и гравия.

Отсюда следует, что прочность монолитов, имеющих макробетонную структуру, кроме прочности вяжущего и заполнителя, зависит также от:

1. плотности монолита и однородности его структуры,

2. величины адхезионных сил, действующих между вяжущим и поверхностью заполнителя.

В зависимости от этого прочность монолита с макробетонной структурой составляет нередко лишь долю прочности самого вяжущего (цементный камень). Прочность обычного бетона редко превышает 50% прочности на сжатие (марки) цемента, употреблённого на его изготовление. По исследованиям И. А. Киреенко (8, ст. 59) прочность (марка) цемента составляет в свою очередь всего 45 – 50% прочности цементных кубиков, нормально твердевших в течение 28 суток, изготовленных из раствора нормальной консистенции. Также и другие основные строительно-технические показатели, как водопроницаемость, морозостойкость и т.п. у искусственных монолитов с макробетонной структурой обыкновенно ниже соответствующих показателей монолитов с микробетонной структурой, как напр. у цементного камня и силикальцита.




Рис. 6.


На рис. 6 приведена схема макробетонной структуры цемент-бетонов, данная Н. А. Мощанским (9).

Относительно трёх зон схемы указывается следующее (9, стр. 16):

«Первая зона I располагается под зёрнами крупного заполнителя, а внутри раствора – под крупными зёрнами песка. Эта зона содержит наибольшее количество воды, а после её испарения – воздушных пор; тут бетон наименее прочен. Именно через эту зону фильтруется вода; по ней происходит разрыв рас