Структурообразование и свойства модифицированных жесткопрессованных цементно-меловых композиций

Аннотация

К.С. Форопонов, Г.А. Ткаченко

Показаны основные структурообразующие процессы при прессовании. Экспериментально показана возможность получения долговечного лицевого кирпича из цементно-меловой композиции на базе мягкого мела.
Ключевые слова: cтруктурообразование, кирпич, мягкий мел, производство строительных материалов.

Ключевые слова:

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Мягкий мел достаточно широко распространен в природе и характеризуется тем, что в большинстве месторождений он выходит на поверхность земли. Поэтому его добыча не представляет серьезных проблем. Однако до настоящего времени строители считают эту горную породу некондиционной и ограниченно используют ее в строительстве. Чаще всего из нее делают тонкодисперсный наполнитель для пластмасс или обжигают на известь.
Однако современное развитие строительного материаловедения позволяет взглянуть на эту горную породу как на ценное сырье для изготовления целого ряда строительных материалов. Этому способствовало постоянно развивающееся направление в строительном материаловедении: механохимическая активация цементно-минеральных систем.
Мягкий мел – это одна из разновидностей карбонатных горных пород. Он состоит из мельчайших зернышек кальцита и скелетных частей – кокколитофоридов (отживших водорослей с известковым панцирем размером около 3 мкм), в нем содержится до 35-50 % высокодисперсного кальцита. Мел – высокопористый, малопрочный материал с высоким водопоглощением и низкой морозостойкостью. Небольшое содержание глинистых и кремнистых примесей резко меняет его физико-механические свойства.
Общей классификации мела не существует, но чаще мел различают по степени цементации и цвету на три категории А, В и С1. Пласты этих категорий мела располагаются довольно хаотично, что затрудняет разработку месторождений и приводит к накоплению огромных отвалов невостребованной горной породы. Эти отвалы угрожают нарушением экологического равновесия в природе, т.к. они легко размываются дождевыми водами или пылят в сухую погоду.
Возникает проблема безотходной разработки месторождения, т.е. практического использования всей добытой горной породы. Решение подобной проблемы видится в использовании такого технологического приема формования изделий, который бы лучшим образом использовал хорошо известную способность химического взаимодействия тонкодисперсного кальцита с гидратированными клинкерными минералами цемента с образованием прочных и водостойких минералов. Немаловажную роль в этом случае может сыграть и химическое сродство цементного камня и частиц мела, что приводит к более прочному сцеплению между ними [1]. Особенно эффективно эти процессы могут протекать при всестороннем обжатии формуемой системы. Поэтому было предложено для производства стеновых изделий использовать довольно распространенный в современной технологии метод жесткого прессования, суть которого заключается в создании удельного давления в уплотняемой рыхлосыпучей полусухой смеси  в пределах 20-40 МПа при одноразовом приложении нагрузки за 3-5 с. Такая технология обладает рядом преимуществ, в частности, она позволяет реализовать немедленную распалубку полуфабриката, его пакетирование и транспортирование к месту естественного вызревания. Описанная технология – малозатратна и довольно универсальна.
Особенность структурообразования материала при производстве изделий по такой технологии заключается в том, что оно протекает в несколько этапов: начинаясь на стадии приготовления, продолжается при уплотнении и завершается при твердении. Результативность этих процессов зависит от зернового состава компонентов смеси, ее формовочной влажности, вида, количества и активности вяжущего, величины прессующего давления и условий твердения.
В процессе перемешивания сырьевая смесь формирует гранулы, которые обладают определенной пластичностью. Гранулу составляют первичные твердые частицы, поверхность которых покрыта сплошными или дисперсными пленками адсорбционной или реже рыхлосвязанной воды. Поэтому зерновой состав формовочной смеси будет играть решающую роль при перемешивании, определяя ее однородность.
Итак, выбор способа перемешивания является важным фактором, определяющим качество смеси. Чтобы разрушить образующиеся гранулы, выдавить из них защемленный воздух, хорошо распределить технологическую смазку (цементное тесто) необходимо принудительное перемешивание в смесительных установках. Как будет показано ниже довольно эффективно перемешивание в смесительных бегунах с постепенным введением воды затворения (орошением).
К моменту уплотнения подготовленная формовочная смесь представлена одновременно тремя фазами: твердой, жидкой и газообразной. Процессы уплотнения, прежде всего, связаны с поведением этих фаз.
В начальный период уплотнения передвижение частиц в смеси вызывает раздвижку неподвижных зерен вклинивающимися частицами. Главную роль на этом этапе структурообразования играют форма частиц, соотношение их размеров и частично подвижность контакта между ними. С увеличением давления прессования происходит существенная деформация частиц за счет пластичной, хрупкой и упругой составляющей. Возникающие при этом напряжения на контактных поверхностях частиц приводят к дополнительному измельчению зерен, особенно если они грубодисперсны и непластичны. После хрупкого разрушения частиц при контакте их друг с другом нарастает упругая деформация, величина которой зависит от давления прессования, оно определяет степень уплотнения материала и физико-механические свойства готового продукта. Поэтому давление прессования следует считать важным технологическим фактором, регулирование которого позволяет обеспечить необходимые свойства прессуемых изделий.
При прессовании цементно-меловых композиций (ЦМК) важную роль играет газообразная фаза системы. В начальный момент приложения нагрузки воздух, находящийся в рыхлонасыпной смеси, вытесняется наружу через зазоры матрицы. Но по мере роста давления часть воздуха растворяется в технологической связке, воздухопроводящие каналы сужаются, заполняются отжатой водой и частично закрываются. Вытеснение воздуха замедляется, а в оставшемся «запрессованном» воздухе резко возрастает давление. После снятия внешнего воздействия этот воздух расширяется и может вызвать разуплотнение материал вплоть до появления трещин. Таким образом, равномерное распределение влаги в прессуемом материале и ее оптимальное содержание являются необходимым условием его качественного уплотнения. Очевидно, что содержание жидкой фазы в прессуемой системе и будет определять ее структурообразование.
Отмеченные особенности структурообразования прессованной композиции, а именно наличие оптимального водосодержания, удельное давление прессования, зерновой состав, форма зерен и их шероховатость будут определять свойства жесткопрессованных ЦМК.
Анализ литературных источников и результатов проведенных опытов позволил определить оптимальное давление прессования в пределах 25 МПа и рациональный состав смеси минеральных компонентов мела и цемента (М500) М:Ц=4:1 [2]. На дробленном мягком меле категории В (фр.0-5 мм) был поставлен эксперимент по определению оптимального водосодержания формовочной смеси, которая готовилась путем тщательного перетирания в сферической чаше. Результаты эксперимента приведены в табл.1.
Таблица 1

При анализе результатов была установлена характерная особенность ЦМК, которая заключалась в наличии двух оптимумов водосодержания: одного для распалубочной прочности (Rс), а другого – для прочности в проектном возрасте (Rсж). Отклонение от этих оптимумов приводило к снижению прочности. Поскольку во всех опытах прочность свежеотформованной композиции превышала допустимую (0,8 МПа) для распалубки, то в дальнейших экспериментах за оптимальное водосодержание был принят расход воды затворения 8 % от массы сухих компонентов.
Влияние вида мела на свойства ЦМК было исследовано постановкой специального эксперимента. На дробленом меле при соблюдении вышеперечисленных рецептуры и параметров формования при ручном перетирании формовочной смеси были получены следующие свойства ЦМК (табл.2).
Таблица 2

Анализ проведенных результатов позволил сделать важный практический вывод: вид мела (его категория) не оказывает существенного влияния на физико-механические свойства ЦМК. Таким образом, разработка Лысогорского месторождения не потребует селекционной добычи и для изготовления изделий можно будет с успехом использовать существующие отвалы невостребованной горной породы.
Поскольку структурообразование ЦМК начинается уже на стадии приготовления формовочной смеси, а появление агрегированных минеральных частиц неизбежно, было принято решение оценить влияние способа подготовки мела и приготовления смеси на физико-механические свойства ЦМК. При соблюдении указанных рецептуры и параметров формования были изготовлены контрольные образцы из смесей, тщательно перетертых вручную (1), обработанных на смесительных бегунах (2) и изготовленных с использованием тонкодисперсного мела (с удельной поверхностью более 6000 см2/г) (3). Результаты полученных физико-механических свойств ЦМК приведены в табл.3.
Таблица 3

Эксперимент наглядно подтвердил влияние зернового состава мела в ЦМК на ее свойства. Перемешивание на смесительных бегунах привело в росту прочности сухих ЦМК на 13,2 % и снижению водопглощения до 14,7 % Еще более высокие результаты были получены на тонкодисперсном меле, где отмечен не только существенный рост прочности на 34 %, но и повышение водостойкости композиции. При интенсивном перемешивании на смесительных бегунах происходит дополнительный помол меловых частиц, смесь становится более дисперсной, а активированные тонкодисперсные частицы значительно увеличивают свою химическую активность. Однако тонкое измельчение мела – высокозатратный процесс и в нашем случае оно экономически неэффективно. Кроме того, полученная в эксперименте водостойкость ЦМК оказывалась недостаточна для производства из нее лицевых стеновых изделий.
Для получения более прочных и долговечных ЦМК были использованы методы механохимической активации. Кроме регулирования зернового состава мела в смесь начали добавлять химические добавки – модификаторы. Путем постановки специальных опытов был установлен оптимальный зерновой состав мела, включающий 10 % фр.1,25-5 мм; 60 % фр. 0,16-1,25 мм и 30 % тонкодисперсного продукта. Затем был опробован целый ряд химических добавок, среди которых предпочтение было отдано двум гидрофобизирующим BWA-21 (российско-немецкого производства) и кремнийорганической эмульсии – КОЭ (российского производства). На оптимизированном зерновом составе мела с использованием перечисленных добавок были вновь отработаны параметры рецептурно-технологических факторов. Как оказалось и рецептура формовочной смеси (М:Ц=4:1), и ее оптимальное водосодержание (8%), и удельное давление прессования (25 МПа) оказались такими же, как и для составов на дробленом меле без химических добавок. Окончательно полученные физико-механические свойства ЦМК на оптимизированном составе мела с использованием химических добавок – модификаторов (табл.4) оказались вполне достаточными для их использования в производстве лицевых стеновых изделий.
Таблица 4

Стойкостные свойства полученных ЦМК были оценены при испытании их на попеременное замораживание и оттаивание по методике ГОСТ 7025. Результаты этих испытаний приведены в табл.5.
Таблица 5

Анализ результатов испытаний показал, что без применения добавок – модификаторов нельзя получить достаточно морозостойкий кирпич для лицевой кладки. При 20 циклах у образцов контрольного состава (без добавки) начали появляться микротрещины, которые через несколько дополнительных циклов переросли в крупные магистральные и это сразу отразилось на снижении прочности. Составы с обеими химическими добавками - модификаторами выдержали необходимые 35 циклов замораживания-оттаивания.
Таким образом, результаты проведенных исследований убедительно подтверждают возможность использования неводостойкого мягкого мела в изготовлении качественных рядовых и лицевых стеновых изделий. Путем направленного структурообразования ЦМК с использованием приемов механохимической активации получен материал, который с успехом может быть использован при организации малозатратного производства. Этот экологически чистый материал светлых тонов, который способен легко изменять цвет при введении пигментов, может быть получен при безотходной разработке горной породы в карьере и это очень важный экономический фактор, определяющий перспективы его использования.

Литература

• 1 .Маилян Р.Л. Бетон на карбонатных заполнителях. – Ростов, 1967г.
  2.Копаница Н.О. Наполненные вяжущие вещества для сухих строительных смесей. /Н.О.Копаница, М.С. Макаревич// Сухие строительные смеси, - №2, - М.:Стройиздат, - 2008. С.46-48.