Технологические принципы получения материалов с заданными свойствами (теоретические основы)

 

Существует большое количество технологий производства искусственных строительных материалов. Однако при таком их многообразии имеются общие принципиальные положения, являющиеся основой при выборе технологического процесса производства материалов заданных свойств.

Одним из главных положений, формирующих современную технологию производства строительных материалов, является то, что эта технология является преимущественно химической.

Действительно, исходя из этого положения, для выбора и обоснования технологических принципов получения материалов заданных свойств необходимо знать:

- состав и структуру веществ исходных материалов, особенности их межмолекулярных связей;

- закономерности химических реакций и физико-химических процессов (растворение, кристаллизация, смачивание, адсорбция, адгезия);

- особенности взаимодействия дисперсных коллоидных частиц и т.п.

Другим основным принципиальным положением, формирующим современные технологии искусственных строительных материалов, являются такие фундаментальные науки, как физика и механика. Проектируя тот или иной технологический процесс переработки исходного сырья, необходимо знать основные законы этих дисциплин, определяющие особенности реологических свойств материалов, тепломассообменные процессы, протекающие во время их производства.

Поясняя это положение, можно отметить, что все технологические процессы протекают при различных вариациях давлений и температур. Например, исходя из нормальной температуры Т_н и давления Р_н, можно получить различные варианты их сочетания:

Р>Р_н и Т>Тн

Р>Р_н и Т=Т_н

Р=Р_н и Т>Т_н и т.д.

Поэтому законы термодинамики широко используются в технологии строительных материалов.

Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение закона сохранения энергии: Q = DU + A, из которого следует, что переданное системе количество теплоты Q расходуется только на увеличение внутренней энергии DU и совершение работы А.

Второй закон термодинамики утверждает, что все процессы в материалах протекают в направлении от менее вероятного состояния (неустойчивого) к более вероятному – равновесному. Равновесное состояние характерно для данных внешних условий и восстанавливается при его нарушении.

Первый закон термодинамики позволяет проводить теплотехнические расчеты технологических процессов. Второй закон – определяет направление самопроизвольно идущих процессов в материалах и пределы их протекания.

Общей особенностью технологических процессов является то, что большинство из них развивается по закономерностям цепных реакций, т.е. с развитием этих процессов их скорость возрастает или затухает. Такие закономерности в ряде случаев можно описать зависимостью:

dy/dt = k y^m, (2.1)

где у – переменная, характеризующая, например, количественно процесс смешения, степень растворения, уплотнения и т.д.;

dy/dt – скорость изменения этой переменной во времени;

k – коэффициент.

Если m = 1, то функция принимает вид экспоненты.

При проектировании технологии материалов очень часто используют также закон тепломассообменных процессов, которые описываются дифференциальным уравнением:

(2.2)

где Т – температура;

t – время,

Ѳ – оператор Лапласа ();

a – коэффициент температуропроводности материала

Существуют приемы, которые позволяют управлять сложными процессами структурообразования и получать материалы с оптимальными свойствами. Их условно разделяют на три группы: механические, физические и химические.

Одним из распространенных механических приемов управления структурообразованием материалов является вибрация. Она, например, широко используется в процессах перемешивания и уплотнения бетонных смесей. При вибрационном воздействии структура бетонных смесей разрушается, при этом резко снижается их вязкость и они приобретают свойства жидкости, что облегчает их перемешивание, уплотнение и получение изделий заданной плотности.

Вибрация применяется и в других видах механической обработки материалов (облегчает резание, точение, сверление, уменьшает трение и т.д.).

Для каждого конкретного случая применения вибрации устанавливают оптимальные величины частоты и амплитуды колебаний, а также момент ее приложения и продолжительность воздействия.

К наиболее значимым физическим приемам, применимым в технологии материалов, можно отнести регулирование температурного воздействия и методы активации исходных компонентов. Правильное назначение температурных режимов позволяет управлять скоростью физических и химических реакций и процессов, протекающих в материалах (разжижение битумов и удаление из них воды, обжиг кирпича, сушка древесины, твердение минеральных вяжущих и др.). Активация твердых и жидких компонентов для получения композиционных материалов (асфальто- и цементобетонов) способствует усилению адгезии между этими компонентами, т.е. созданию прочных химических связей между ними. К перспективным физическим методам обработки исходных материалов следует отнести использование ультразвукового, магнитного, электромагнитного, электрогидравлического и трибоэлектрического воздействия. Их применение преследует цель интенсификации процессов структурообразования и улучшения качества материалов.

К наиболее устоявшимся химическим технологическим приемам относится применение различных добавок и ПАВ (поверхностно-активные вещества).

Добавки, как средство регулирования свойств материалов химическим путем, известны давно, но широкое применение они получили лишь в последнее время (особенно для получения цементобетонов).

Введение добавок (пластифицирующих, гидрофобных, воздухововлекающих и др.) в небольших количествах позволяет влиять на технологические параметры строительных материалов, замедлять или ускорять процессы, протекающие в них, улучшать их свойства, обеспечивать в ряде случаев производительность перемешивания и уплотнения смесей.

Распространены минеральные добавки, которые могут играть роль центров кристаллизации, служить катализаторами, ингибиторами или стабилизаторами в процессах структурообразования материалов. Например, в цементы вводят добавки с активным кремнеземом SiO₂, с гидрооксидом кальция Ca(OH)₂, в результате чего образуются нерастворимые вещества, упрочняющие структуру бетона.

Получили значительное распространение полимерные добавки. Например, при использовании водо-растворимых полимеров бетонная смесь пластифицируется, что облегчает формование изделий, а затем эти добавки полимеризуются и образуют прочную сетчатую структуру, способствуя упрочнению бетона.

В настоящее время при производстве различных строительных материалов стали широко применять поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Эффект применения ПАВ заключается в том, что их молекулы, адсорбируясь на поверхности зерен материалов, уменьшают поверхностную энергию на границах раздела, например, твердое тело – жидкость (газ).

Подбирая ПАВ для целенаправленного изменения поверхностной энергии материалов, можно химическим путем управлять многими технологическими процессами:

- получать устойчивые эмульсии (или, наоборот, добиваться быстрого их распада при контакте с минеральными материалами;

- пластифицировать бетонные смеси;

- регулировать содержание газообразной фазы в материалах;

- существенно снижать затраты энергии на дробление и измельчение материалов, поскольку ПАВ обусловливают адсорбционное понижение их прочности (эффект академика П.А.Ребиндера).

Наряду с ПАВ, в технологии производства материалов используют также добавки-электролиты, которые могут ускорять или замедлять процессы растворения веществ, изменять свойства жидкой фазы. При этом изменяются: растяжимость, температура размягчения, хрупкости и другие свойства, которыми необходимо управлять, чтобы получить материал с заданными свойствами при минимальных затратах.

Одним из основных принципов технологических процессов производства материалов высокого качества является комплексность использования физических, механических и химических методов воздействия на исходное сырье и материал.

Эффект комплексного воздействия указанных методов широко используется в технологии материалов и материаловедении. Его значимость настолько велика, что именно благодаря ему, учение о превращении исходного сырья в материал с заданными свойствами получило наименование физико-химической механики материалов и стало основой всех прогрессивных технологий строительных материалов.

Технологию получения строительных материалов максимально механизируют и автоматизируют, при этом особое внимание уделяют оптимизации технологических процессов на основе применения ЭВМ.

Следует подчеркнуть, что современная технология строительных материалов обязательно учитывает меры по энергосбережению и требования промышленной экологии.