Основные технологические принципы получения строительных материалов

В строительстве используют самые разнообразные материалы, что в значительной мере обусловливает трудность обобщения основных закономерностей их технологии .
Содержание статьи:

◊ Свойства дорожных материалов

◊ Основные свойства дорожно-строительных материалов

◊ Эксплуатационные свойства материалов

◊ Взаимосвязь состава свойств и структуры материалов

◊  Микроструктура веществ

◊ Основные технологические принципы получения материалов

◊ Оценка качества строительных материалов

Об этом свидетельствует и сложность классификации строительных материалов (табл.1.). Ранее отмечалась значимость классификации строительных материалов по их химическому (вещест­венному) составу и структуре. В связи с рассмотрением технологических принци­пов получения материалов с заданными свойствами необходимо дать характерис­тику классификации материалов по спо­собам их получения, среди которых вы­деляют четыре основных (см. табл. 1.).

Таблица-1.Классификация материалов по способам их получения

1. Кристаллизация из расплавов: ме­таллы, стекло, металлокерамика. В полу­ченном расплаве, пересыщенном кристаллизующими веществами, при снижении температуры возникают зародыши крис­таллов, которые при дальнейшем росте увеличиваются и срастаются друг с дру­гом, образуя плотный мелкозернистый агрегат с различным характером межзерновых связей. Изменяя скорость охлаж­дения, вводя различные добавки, регули­рующие образование и рост кристаллов, можно препятствовать их укрупнению и влиять на условия и характер их сраста­ния, а следовательно, на структуру и проч­ность получаемого материала.

2. Спекание: кирпич, камни и плиты для облицовки, заполнители бетонов. Раз­личают твердофазное и жидкостное (свя­занное с участием жидкой фазы) спекание. При спекании происходит уплотнение, образование твердоподобного черепка.
Спекание представляет собой сложный многоступенчатый процесс. Важнейшим молекулярно-кинематическим процессом спекания являются химические реакции на поверхностях и границах раздела, поверхностная и обьемная самодиффузия, термически активируемые дислокацион­ные процессы, приводящие к объедине­нию, срастанию, спеканию дисперсных час­тиц друг с другом и образованию монолита.

3.Кристаллизация из растворов:изделия из растворов и бетонов на минеральных вяжущих.При смешении тонкоизмельченного вяжущего с водой образуется коагуляционная структура,определяющая начальную консистенцию смеси.Вяжущее растворяется в воде с образованием раствора,пересыщенного по отношению к гидрату термодинамически и более устойчивому.

Затем возникают зародыши гидратных новообразований,они растут и срастаются в беспорядочную пространственную кристаллизационную структуру, которая уплотняется и упрочняется в результате обрастания кристаллами.Вводя в состав смеси различные добавки можно управлять процессами твердения и приближать свойства материалов к требуемым.

4. Полимеризация (и другие методы химической модификации): изделия на органических вяжущих и полимерных смолах.Исходные продукты которые используют для получения органических по­лимерных материалов, образуются при переработке природного газа, крекинге и пиролизе нефти, сухой перегонке или сбраживании и гидролизе древесины и сельскохозяйственных отходов.

В реак­торе создаются определенные условия (давление, температура, введение ката­лизатора), при которых осуществляется (протекает) реакция полимеризации -соединение одинаковых (мономеров) или различных молекул с образованием высо­комолекулярного вещества (полимера).

Применяя различные исходные продукты, а также условия полимеризации, можно получать разные по свойствам и составу полимерные материалы: термопластичные, термореактивные, с различным строением молекулярных цепей (линейные, развет­вленные, сетчатые).

Технология получения строительных материалов связана с изучением соста­ва, свойств исходного сырья, путей его технологической переработки, позволя­ющих получить материал с заданными технологическими свойствами при мини­мальных затратах.

Исходное сырье, ис­пользуемое в производстве строительных материалов, как по вещественному, так и по агрегатному составу отличается ис­ключительно большим разнообразием. По агрегатному составу материалы подраз­деляются на твердые, жидкие и газо­образные.

К твердым относятся естес­твенные горные породы, а также отходы промышленности (шлаки, золы), являю­щиеся сырьем для получения минераль­ных вяжущих (цементов, гипса, извести и других материалов).

К жидким отно­сятся нефть и отходы химических произ­водств, являющиеся продуктом для полу­чения органических вяжущих, полимер­ных материалов, к газообразным — при­родный газ и другие газообразные про­дукты, образующиеся при переработке каменного угля, нефти; они также слу­жат сырьем для получения полимерных материалов и изделий из них.

Несмотря на обширную номенклатуру строительных материалов, в технологии их производства имеется ряд общих тех­нологических процессов: выбор исходного сырья; измельчение исходных компонентов; сортировка, улучшение качества компонентов; определение состава изго­тавливаемого материала;

смешение, го­могенизация смеси; формование, уплот­нение смеси; тепловая, термическая обра­ботка; контроль качества полученного материала. Последовательность этих технологи­ческих процессов и возможная их совме­щаемость определяются видом получаемо­го материала и принятой технологией.

При всем многообразии технологи­ческих процессов и приемов в производ­стве строительных материалов имеется ряд общих принципиальных положений, которыми руководствуются, ,выбирая и проектируя эффективную технологию. При этом необходимо учитывать, что тех­нология строительных материалов являет­ся преимущественно химической.

Поэтому для выбора и обоснования технологических принципов получения материалов с заданными свойствами необ­ходимо иметь четкое представление о составе и молекулярном строении ве­ществ, о внутримолекулярных связях, а также о закономерностях кинетики химических реакций, физико-химических процессах (растворение, кристаллизация, смачивание, адсорбция), взаимодействии дисперсных коллоидных частиц и т. п.

Наряду с этим следует учитывать особенности формирования структуры ма­териалов, которая в значительной степе­ни обусловливает получение материалов с заданными свойствами. В большинстве случаев одновременно протекают прvти­воположные процессы: параллельно со структурообразованием-деструкция.

Так, при перемешивании смесей наряду с процессами смешения идет сепариро­вание, а при их виброуплотнении — од­новременно и разуплотнение. На раз­личных этапах одни процессы преобла­дают над другими, что обусловливает­ся характером механических и других воздействий.

Например, в материалах ран­него возраста преобладает структурообра­зование, в позднем -деструкция (раз­рушение структуры). При больших ме­ханических нагрузках преобладают про-цессы разрушения материалов, а при не­больших -возможно упрочнение.
Важная особенность процессов, проте­кающих в материалах заключается в том, что большинство из них развивается по родственным закономерностям, напомина­ющим по своему характеру закономер­ности цепных реакций, т. е. с развитием этих процессов их скорость возрастает или затухает.

Такие закономерности в ря­де случаев можно описать зависимостью
dy/dt=kyⁿ , где у -переменная, характеризующая коли­чественно процесс (например, степень растворения, смешения, уплотнения) ; dy/dt— скорость изменения этой переменной во времени; k -­коэффициент.

Если т =1, то функция принимает вид экс­поненты. Многочисленные технологические при­емы, позволяющие управлять сложными процессами структурообразования и по­лучать материалы с оптимальными свой­ствами, можно условно раздели ть на пять основных групп.

1. Механuческие процессы при про­изводстве строительных материалов при­меняются наиболее широко: измельчение, классификаuия (разделение сьmучих ма­териалов), смешение компонентов, фор­мование и уплотнение.
2.Химические процессы при получе­нии ряда строительных материалов неорганических и органических вяжущих (цементов, полимерных смол), а также материалов, получаемых обжигом (кера­мических). Скорость и закономерности этих процессов, определяются кинетикой соответствующих химических превраще­щений и реакций

3.Тепловые процессы применяются при термической обработки ряда материалов.К ним относятся нагревание и охлаждение.Скорость и закономерности тепловых процессов определяются законами теплопередачи.

4. Массобменные(диффузионные) процессы применяются при снижении начальной влажности (сушке),разделении сложных сырьевых материалов а также формировании структуры
формировании структуры, связанной с диффузией и адсорбцией составляющих комrюнентов материалов.

К диффузион­ным процессам относятся адсорбция, экс­тракция, ректификация и др. Скорость и закономерности массообменных процес­сов определяются скоростью перехода ве­щества из одной фазы в другую, други­ми словами, законами массообмена.

5.Гидромеханические процессы при­меняют при транспорте в газообразной или жидкой среде порошкообразных материалов (цемента), движении час­тиц в сушипках в кипящем спое, формо­вании изделий, при осаждении взвешен­ных частиц в жидкости или воздушной среде (асбоцементные, древесноволокнис­тые изделия) и др.

Скорость и основные закономерности гидромеханических про­цессов определяются законами гидродина­мики. Приведенное разделение основных процессов является в известной мере условным, так как при производстве дорожно-строительных материалов (вяжу­щих, бетонов, керамики и др.) ряд этих процессов может протекать одновременно(тепловые и массообменные, химические и массообменные, гидромеханические и механические и др.).

Таким образом, при всем многообразии технологических приемов при производстве искусственных строительных материалов имеется ряд общих принципиальных положений, кото­рыми надо руководствоваться при вы­боре исходного сырья, его подготовки, применения рациональных технологий формования, уплотнения и тепловой об­работки.

Задачи современной технологии име­ют много альтернативных решений. Вы­бор наилучшего решения — важнейшая задача инженера-технолога. При этом он должен стремиться к тому, чтобы запро­ектированный технологический процесс в наилучшей степени обеспечивал получение заданных свойств материала.

Важно, чтобы внутренние микронапряжения и деформа­ции в создаваемом материале были мини­мально возможными. Все это можно дос­тигнуть в том случае если технологический процесс будет оптимизирован.Оптимизируют процесс по критериям оптимальности, которых может быть нес­колько, и они находятся в сложной взаи­мозависимости.

Это затрудняет опреде­ление единого критерия оптимальности, характеризующего эффективность процес­са. Наиболее часто пользуются экономи­ческими критериями, которые достаточно полно отражают (в стоимостном выра­жении) не только показатели свойств получаемого материала, но и затраты на энергию, рабочую силу и т. д.

Наряду с этим технологические про­цессы производства строительных мате­риалов должm,1 бьпь замкну11,1ми,давать минимум побочных продуктов (отходов, шлаков и т. д.). Особенности технологии строительной индустрии при рациональ­ной координации других отраслей народ­ного хозяйства позволяют эффективно использовать отходы ряда предприятий горно-металлургической (доменные, ко­тельные шлаки, отвальные породы), хими­ческой (кубовые остатки в производ­стве синтетических полимерных материа­лов), деревообрабатывающей (стружки, опилки и другие отходы) промышлен­ности.

Особое внимание должно быть уде­лено обеспечению требований промышлен­ной экологии и охране труда. Промыш­ленная экология представляет собой сис­тему социальных, технических, гигиеничес­ких мероприятий, направленных на обес­
печение безопасных и здоровых условий труда на всех участках производства.

Производство строительных материалов связано с рядом производственных фак­торов, которые могут оказывать вред­ное влияние на работающих: запылен­ность и загрязненность помещений, виб­рация и шум машин, избыточное тепло­выделение, метеорологические условия.

При проектировании технологических про­цессов и машин необходимо учитывать экологические факторы и принимать ре­шения, направленные на устранение или уменьшение их неблагоприятного воздействия.

По материалам сайта Топметод