Основные процессы в технологии строительных материалов

 

При изготовлении строительных материалов и изделий сырье подвергают комплексу механических, химических, физико-химиче­ских тепловых и других воздействий. В результате реализации и определенной последовательности этих технологических воздейст­вий сырье либо изменяет только форму и размеры частиц вещества, получает большую однородность и очищается от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения состава, внутреннего строе­ния и качественных характеристик.

Каждая разновидность строительных материалов и изделии нуждается в специфической технологии. Последняя выражается сво­им регламентом, параметрами режимов, минимальным размером затрачиваемой энергии и сырьевых ресурсов, достижением эконо­мически эффективных результатов и высоких показателей качества готовой продукции. Необходимо соблюдение непрерывности (по­точности) технологического процесса, хотя иногда может оказаться более целесообразной и периодичность, особенно в химической тех­нологии.

При большом разнообразии специфических технологий мате­риалов и изделий они содержат и ряд типичных операций (переде­лов). Это связано с тем, что в их основе лежат одинаковые физиче­ские или физико-химические зависимости, сходные кинематические схемы действия оборудования и машинного парка, общие методы использования тепловой или иного вида энергии и т.п. К типич­ным переделам, предопределяющим процессы структурообразова-ния у материалов и изделий, относятся: основные — подгото­вительные работы; перемешивание отдозированных сырьевых компонентов; формование получаемой смеси (массы) и уплотнение отформованных изделий; специальная обработка уплотненных из­делий до полного их отвердевания; технический контроль качества готовой продукции; вспомогательные — контроль за кондицией технологического регламента; транспортирование сырья и переме­шанной смеси (массы); перемещение готовых изделий; складирова­ние сырья и изготовленной продукции (полуфабриката или фабри­ката); хранение материалов на складах. Следует отметить, что на структурообразование влияют не только основные, но и вспомога­тельные переделы. При транспортировании, складировании, хране­нии или других вспомогательных операциях возможно значитель­ное снижение качества ранее подготовленных материалов. Возможно, однако, и повышение его, если материалом не только охраняются приданные ему дополнительные потенции но они возрастают при реализации некоторых операций, например на ста­дии транспортирования, хранения.

В некоторых технологиях могут отсутствовать отдельные опера­ции или по технологической схеме их продолжительность равна нулю. Ниже, во втором разделе — практической части науки — приведено немало конкретных технологий строительных материалов и изделий, в которых в разных вариантах сочетаются основные и вспомогательные переделы. В теории же трактуются главные принципы и закономерности, лежащие в основе практических переделов (операций) в технологии и необходимые для обеспечения наиболее эффективного структурообразования с приданием материалу опти­мальной структуры. Оптимизация структуры при одновременном обеспечении уровня заданных свойств соответствует достижению высшего качества у материала или изделия. Технология по этому критерию становится прогрессивной.

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

 

К подготовительным работам относится комплекс операций, со­путствующих практически всем технологиям. Их основное назна­чение — придать сырью технологическое состояние, удобное и эффективное при прохождении сырья по последовательному циклу переделов с образованием готовой продукции. На этой стадии техно­логии важно полнее раскрыть и, по возможности, преувеличить потен­циальную энергию сырья с тем, чтобы на последующих этапах (перемешивание, формование и т.п.) свободная внутренняя и поверх­ностная энергии перешли в другие ее формы, способствуя процессам новообразований и фаз, отличных от исходных сырьевых, а также структуры — внутреннего строения готового материала (изделия).

В целях уменьшения расхода внешних энергоресурсов, упроще­ния и удешевления подготовительных работ весьма целесообразен поиск сырья, которое заранее претерпело геологическую обработку, благоприятно отразившуюся на спонтанной или искусственной ак­тивизации его перед употреблением в технологии строительных ма­териалов. В работе В.С. Лесовика [17] показано, что величина энер­гетической способности горных пород и породообразующих минералов существенно зависит от генезиса (рис. 2.1). Так, напри­мер, по составу, внутреннему строению и внешнему сложению по­путно добываемые породы как отходы горнорудного производства КМА и кора выветривания кимберлитов алмазоносной провинции Севера РФ значительно отличаются повышенной активностью от традиционного, сходного по составу, сырья, используемого в строи­тельной индустрии. Известно, что традиционные горные породы добывают в качестве сырья путем, как правило, открытой разработ­ки сравнительно мелких карьеров, глубиной до 40—50 м. Между тем попутно добываемые породы, получаемые после обогащения¹ руд, извлекаются из более глубоких месторождений (450—500 м).

Рис. 2.1. Генетическая классификация горных пород как сырья для производства

строительных материалов

 

На этой глубине геологические процессы способствовали естествен­ной технологической активизации пород как потенциального сы­рья. Эта активизация выражается обычно в нарастании дефектности кристаллической решетки породообразующих минералов, частич­ной аморфизации породы и ее структурных зерен, которые претер­певают к тому же частичную или полную деструкцию с увеличением удельной и суммарной поверхности твердых частиц. Обнаружено, что реакционная способность глинистых частиц при деструкции им соответствующих минералов значительно повышается вследствие возрастания неупорядоченности (энтропии) кристаллических реше­ток. Аналогичное явление характерно для тонкодисперсного кварца; корродированной поверхностью. Между тем и то, и другое явле­ния обусловлены соответствующим генезисом пород, а производст­венный эффект выражается сокращением в 2—3 раза продолжитель­ности изотермической выдержки в автоклаве при получении силикатного материала. Возрастает и прочность такого материала по сравнению с применением обычного сырья.

В зависимости от разновидности сырья подготовительные операции заключаются в измельчении, помоле, распушке и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционировании,просеве, промывке и других методах очищения поверхности частиц и разделения их на отдельные группы (фракции) по грануло­метрическому (зерновому) составу; увлажнении или обезвоживании (сушке) сырья; нагревании, обжиге и охлаждении сырья перед упо­треблением в смесях; обогащении, т.е. повышении однородности сырья по массе, прочности и другим качественным показателям, что нередко совмещается с физико-химической обработкой с целью до­полнительного повышения активности поверхности частиц или из­менения ее полярности, поверхностного натяжения и т.п.

Измельчение и помол — наиболее распространенные подготови­тельные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью: обеспечить определенное соответствие между размерами частиц смеси и конст­руктивными элементами изделий; облегчить технологические опера­ции на стадиях приготовления смеси; повысить плотность и одно­родность дробленого материала; увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества после помола исходного материала. Известно, что между размером зерен у и удельной поверхностью х существует обратная пропорциональная зависимость: х=а/у^п, где а — величина поверхности частицы, размер которой равен 1. Эту за­висимость можно изобразить в виде гиперболической кривой в сис­теме координат Y — X (рис. 2.2). С уменьшением размера каждой частицы общая поверхность изме­льченного вещества увеличивает­ся, тогда как объем частицы при сложении обломков остается по­стоянным. Быстро увеличивающа­яся с измельчением поверхность обладает особым запасом поверх­ностной энергии, которая в даль­нейшем расходуется при смешении нескольких компонентов в общую смесь, при формировании изделий из смеси с протеканием реакций по поверхностям раздела.

 

Рис.2.2. Зависимость удельной поверхности X от размера частиц Y измельченного сырья

 

После некоторого предела тонкости помола потенциальная энергия поверхности может возрасти в такой мере, что нередко про­исходит самопроизвольное (спонтанное) агрегирование (слипание) частиц с уменьшением удельной поверхности и увеличением комко­ватости и неоднородности исходного продукта. Рациональный пре­дел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле добавочных так называе­мых поверхностно-активных веществ, способных создавать на по­верхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агре­гирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола имеется опасность потери активности порошкообразного материала в пери­од его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли, влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение. По этой причине весьма полезно ориентироваться на породы разного.гене­зиса (см. рис. 2.1).

Операцию измельчения нередко совмещают с разделением про­дукта помола по крупности частиц просеиванием или сепарацией. Эта операция называется разделением сырья по фракциям.

Другой операцией является промывка зернистых фракционных материалов — песка, дробленого камня (щебня), гравия — с целью уменьшения количества пыли и глины в смеси. Материалы промы­вают чистой водой или с добавлением химических веществ. Но име­ются и сухие способы очищения зернистых сырьевых материалов, что предохраняет их от смерзания в зимний период работ, например колориметрические, рентгеносепарационные и др.

Нередко исходные сырьевые материалы подвергают так называ­емому обогащению, т.е. повышению однородности по прочности, плотности и т.п. В основе обогащения лежат физические законы. В зависимости от принятого способа они могут быть законами гра­витации, сепарации, флотации, упругости и др. Эффективность спо­соба оценивают по степени обогащения, количеству (выходу) обога­щенного продукта и его качеству.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится теп­ловому воздействию на сырьевой материал, чтобы его просушить, нагреть до необходимой температуры и даже подвергнуть кратко­временному обжигу с целью, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины).

Процесс сушки назначают с учетом особенностей исходного сы­рья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слага­ющего сырьевой материал, влаги, воздуха и паров воды. Если сырь­евой материал подвергнуть воздействию теплового агента (нагретого воздуха, дымового газа и др.) или специальных источни­ков нагрева (ламповые излучатели, ТЭН, паровые регистры и др.), то с поверхности влага испаряется, а внутри перемещается к поверх­ности испарения за счет капиллярных сил, градиентов влажности и температуры. Общее влагосодержание сырьевого материала умень­шается пропорционально продолжительности сушки, т.е. по линей­ному закону (рис. 2.3, отрезок б — в). Температура поверхности мате­риала в этом интервале остается постоянной и равна температуре адиабатического насыщения воздуха. Температура в центральных слоях материала продолжает повышаться и достигает температуры адиабатического насыщения позже, в точке д. До точек б и г умень­шение влагосодержания идет не по прямому закону. Динамика су­шильного процесса показана на рис. 2.4. После высушивания материал нагревают до необходимой температуры. Нередко обе опера­ции совмещают в одном тепловом агрегате, например в сушильном барабане или на колосниковой решетке.

Нагревание материала, выпаривание из него влаги или раство­рителя, оказавшегося в нем, а также последующее охлаждение и другие тепловые процессы протекают в соответствии с законами теплоотдачи. Основное уравнение теплопередачи устанавливает за­висимость между тепловым потоком Q и поверхностью F теплооб­мена: Q=kF∆t_ср.τ, где k — коэффициент теплопередачи, определяю­щий среднюю скорость передачи теплоты по поверхности теплообмена; ∆t_ср. — средняя разность температур между теплоноси­телями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопе­редачи, или температурный напор, °С; τ — продолжительность про­цесса теплопередачи. Из уравнения видно, что количество теплоты, передаваемое от более нагретого теплоносителя к более холодному, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему темпера­турному напору ∆t_ср. и времени передачи.

 

Рис. 2.3. Изменение влагосодержания материала в процессе сушки

 

Рис. 2.4. График скорости сушки: 1 — период нарастающего прогрева

материала (d_p —б); 2 — период постоянной скорости сушки (б—в); 3 — период падающей скорости сушки (в—г)

 

Передача теплоты на расстояние осуществляется тремя способа­ми: теплопроводностью, конвекцией и излучением. В основе этих способов теплопередачи находятся соответственно законы Фурье, Ньютона и Стефана—Больцмана. В реальных условиях теплота чаще всего передается комбинированным способом, однако преоб­ладающим в нем остается все же один из указанных выше способов.

При необходимости нагревание материала (сырья) может быть доведено до обжига в печных агрегатах по заранее рассчитанному режиму соответственно температурной кривой. Однако обжиг в подготовительный период требуется иногда лишь для снижения из­лишней пластичности сырья, например глин, при отсутствии побли­зости песчаных карьеров.

На стадии подготовительных работ производят нередко также физико-химическую или химическую обработку сырьевых материа лов. Она повышает активность подготавливаемых компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологическую операцию, благоприятствует получению ИСК более плотного и прочного, луч­шего по другим качественным характеристикам. Такая обработка заключается, обычно, в добавлении в смесь специальных веществ, имеющих различные или комплексные функции, — уплотняющие, минерализующие, порообразующие, гидрофобизирующие, коагули­рующие (электролиты) и т.п. Она может быть совмещена с механи­ческой обработкой, например, путем помола сырья в смеси с добав­кой. Тогда свежеобразующаяся поверхность измельчаемых частиц поглощает добавочное вещество (добавку) с образованием на по­верхности молекулярных (пленок) или новых химических соедине­ний, повышая активность порошкообразного материала.

Некоторые сырьевые компоненты находятся в жидком состоя­нии и вступают во взаимодействие с твердыми компонентами смеси. Поэтому, чтобы усилить их индивидуальные особенности, подобно твердым их подвергают нагреванию, рафинированию, электромаг­нитному воздействию, обогащению с введением добавочных ве­ществ, например поверхностно-активных ингибиторов, электроли­тов и др.

Подготовленные сырьевые материалы транспортируют к мес­там временного накопления для последующих операций (дозирова­ние, перемешивание). При прогрессивной технологии транспорти­рование является не только перемещением (вертикальным, горизонтальным или наклонным), но используется так же как до­полнительный фактор, положительно влияющий на структурообра-зовательный процесс. В этих целях предусматриваются не только конструктивно-технологические мероприятия по защите в пути от охлаждения — нагретого, от увлажнения — просушенного, от за­грязнения — промытого, от.перемешивания — фракционированно­го, материалов, но и дальнейшая активизация их с помощью соот­ветствующих агентов (тепловых, адсорбирующихся из воздушной среды, вибрационно-пульсирующих и др.).

В емкостях (бункерах, сил осах и др.) временного накопления и хранения подготовленных сыпучих материалов возможны заторы при их перемещении с образованием устойчивых сводов. Самопро­извольное прекращение истечения этих материалов приводит к на­рушению общего ритма работы завода, дефектности дозирования, снижению однородности и качества смеси. Для борьбы с образова­нием сводов в толще сыпучего материала используют специальные устройства (сводообрушители). Они, однако, не всегда бывают эф­фективными, особенно при хранении мелкофракционных смесей. В настоящее время установлены аналитические зависимости, кото­рые связывают характеристики мелкофракционного сыпучего мате­риала и емкости с основными параметрами процесса истечения, что позволяет расчитывать геометрию бункера с заданными формой вы­пускного отверстия и скоростью истечения. Возможность образова­ния свода сыпучего материала учитывают на стадии проектирова­ния системы «бункер—дозатор» [25].

На качество смеси изготавливаемого строительного материала может сильно влиять точность дозирования. Если под влиянием внешних или внутренних причин нарушается точность дозирования (автоматического отвешивания или объемного отмеривания) или ритмичность перемещения отдозированных компонентов к смесите­льному аппарату, то в процессе перемешивания возможно снижение качества получаемой смеси (массы) и готового материала (изделия).