1 − Смеситель. 2 − лопасти. 3 − уплотняющие винты. 4 − решетка с ножами. 5 − вакуум-камера. 6 − вал.

7 − Корпус (цилиндр) пресса. 5 − переходная головка. 9 − мундштук

Таблица 20 – Дефекты кирпича после сушки

Дефект	Эскиз дефекта	Причины появления	Последствия
Увеличение времени сушки		Подсос воздуха через неплотности сушила; плотная укладка сырца на полках вагонеток	Снижение эффективности сушки
Деформация кирпичей		Увеличение расстояния между опорными планками, тряска при транспортировании	Превышение допуска по прямолинейности, отклонения от вертикали
"Сушильные" трещины (рамочные)		Ускоренный подъем температуры в начале сушки − повышение t, W по сечению. Слабый вакуум в прессе	Отбраковка по внешнему виду снижение марки по прочности
Краевые трещины вдоль ложка		Нарушение правил укладки кирпича, тряска при транспортировании	Отбраковка кирпича по внешнему виду
Помятости на гранях и ребрах		Небрежная укладка, повышенная влажность сырца, тряска на путях перекатки	Отбраковка кирпича по внешнему виду
Мелкие трещины на поверхности		Пониженная температура и повышенная влажность теплоносителя в начале сушки − "точка росы"	Отбраковка кирпича по внешнему виду
Отрыв пластинок массы от поверхности − "облопки"		Повышенное давление пара внутри сырца при высокой температуре теплоносителя	Отбраковка кирпича по внешнему виду

4 Обжиг изделий

Обжиг изделий выполняется в туннельных печах на горючем природном газе, результатом обжига являются физико-химические превращения глины в черепок.

При температурах 110...120°С удаляется свободная вода; 200...450°С выгорают порообразующие добавки; 450...700°С удаляется химически связанная вода; 900...1200 °С минералы разлагаются на отдельные оксиды, появляются легкоплавкие соединения, переходящие в жидкий расплав, обволакивающий своей пленкой остальные твердые частицы. Происходит стяжение этих частиц поверхностным натяжением расплава через деформацию жидкостных манжет, уменьшается межзерновая пористость (рисунок 19).

Рисунок 19 − Схема стяжения частиц поверхностным натяжением расплава

В таблице 21 представлены возможные дефекты кирпича керамического после обжига.

3 Проведение оценки качества кирпича

Измерение дефектов внешнего вида производится с помощью металлических линеек и угольников с делениями по 1,0 мм, а штангенциркуля, точность измерений – с погрешностью 1 мм.

Отклонения от перпендикулярности измеряется для тычковых граней приложением длинной стороны угольника к ложковой грани.

Непрямолинейность измеряется для ложковых граней по наибольшему просвету между линейкой, приложенной к ложку и его поверхностью.

Результаты измерений отклонений фактических размеров от номинальных, величин дефектов внешнего вида заносятся в регистрационные таблицы.

Обобщение результатов позволяет сделать вывод о соответствии кирпича требованиям ГОСТ.

Таблица 21 – Возможные дефекты кирпича керамического после обжига

Дефект	Эскиз дефекта	Причины появления дефекта	Последствия
Перерасход теплоносителя		До 80…90% потока теплоносителя проходит через боковые и верхний уширенные зазоры садки	Появление дефектов, приведенных в данной таблицы.
Неравномерный обжиг по сечению садки		Неравномерное распределение потока теплоносителя в попер. сечении садки, не работает песочный затвор	Неоднородность спекания черепка и свойств кирпича
Трещинообразование в кирпичах по периметру садки		Перегрев и затем резкое охлаждение кирпича − несоблюдение режима обжига	Отбраковка кирпича как половняка
Пиропластическая деформация кирпича		Перегрев кирпича с краевым опиранием	Отбраковка кирпича из-за непрямолинейности
Пережог до газовыделения в толще кирпича		Перегрев кирпича до температуры газовыделения из минералов черепка	Отбраковка кирпича из-за непрямолинейности
Недожог		Неравномерное распределение температуры по сечению садки	Отбраковка по недожогу
Обрушение садки		Неустойчивая садка, тряска на рельсах, наезд на выступы стен камеры − "пузо" в створе	Повышение % отбраковки
Деструкция черепка		Деструкция черепка из-за высокой скорости охлаждения после стекания	Понижение прочности, повышение водопоглощения

Силикатный кирпич. Силикатный или известково-песчаный кирпич, по форме и размерам аналогичный обычному красному кирпичу, изготовляется путем прессования увлажненной смеси кварцевого песка и извести с последующим запариванием в автоклавах. Механическая прочность кирпича обусловливается химическим взаимодействием гидроокиси кальция Са(ОН)2 с кремнеземом и образованием гидросиликатов кальция, скрепляющих зерна песка.

Сырьем для производства силикатного кирпича служат кварцевый песок (92—95% от массы сухой смеси) и воздушная известь (5—7%, считая на активную окись кальция). В известково-песчаную смесь вводят примерно 7% воды. Кварцевые пески, применяемые в производстве кирпича, должны состоять из зерен различной крупности (вследствие чего они имеют меньший объем пустот), не иметь много примесей слюды (до 0,5) и крупных включений глины, снижающих качество изделий. Предпочтительно использовать горные пески, которые вследствие остроугольной формы и шероховатой поверхности зерен лучше сцепляются с известью, чем речные пески с гладкой поверхностью и округлой формой. В отдельных случаях желательно введение части предварительно измельченного кварцевого песка для повышения прочности силикатного кирпича.

Известь может быть негашеной или гидратной с содержанием не более 5% окиси магния. Наличие в извести пережога затрудняет гашение ее в гасильных аппаратах и может способствовать растрескиванию кирпича. Предпочтительно использовать быстрогасящуюся известь с содержанием около 70 % активной СаО. Часто используют свежеобожженную известь, получаемую непосредственно на заводах силикатного кирпича.

Производство кирпича в зависимости от условий приготовления известково-песчаной смеси ведут силосным или барабанным способами и включает следующие операции: измельчение извести-кипелки, смешение извести с песком, гашение извести в смеси с песком, дополнительное перемешивание и увлажнение смеси, формование, (прессование) кирпича, запаривание кирпича в автоклавах.

При силосном способе производства тонкомолотую негашеную известь перемешивают (при незначительном, увлажнении) с кварцевым песком и загружают в силосы на 7—12 ч для гашения. После гашения известково-песчаная масса поступает в лопастную мешалку или бегуны для дополнительного перемешивания и увлажнения, после чего направляется в пресс для формования кирпича.

Отличительной особенностью барабанного способа производства кирпича является то, что измельченные известь и песок загружают во вращающийся металлический гасительный барабан, где производится гашение извести под давлением пара 1,5—2 атм.

СТРОИТЕЛЬНЫЙ ГИПС

Общие сведения

Неорганические вяжущие вещества представляют собой искусственно полученные тонкоизмельченные порошки, способные при затворении водой образовывать пластично-вязкую и легко формуемую массу – вяжущее тесто, которое в результате физико-химических процессов постепенно затвердевает и переходит в камневидное состояние.

Неорганические вяжущие вещества образуют с водой пластичное тесто, которое способно легко растекаться даже в том случае, если в него добавлять большое количество твердых материалов (песка, щебня), благодаря чему растворные и бетонные смеси при изготовлении строительных изделий и конструкций плотно заполняют формы сложной конфигурации или растекаются по поверхности ровным однородным слоем. Через некоторое время тесто любого вяжущего вещества загустевает, схватывается и отвердевает, превращаясь в искусственный камень, связывая зерна заполнителей в прочный монолит.

Количество воды, введенное при затворении вяжущего вещества, влияет на пластично-вязкие свойства теста. Чем больше воды, тем выше текучесть теста, тем медленнее проходят процессы коагуляции и кристаллизации, тем медленнее оно загустевает и твердеет.

Окончательная прочность камня на основе вяжущих веществ связана, главным образом, с его плотностью, которая зависит от разницы между количеством воды, взятой при затворении (30…100 % от массы вяжущего), и количества воды, фактически связываемой минералами вяжущего при его гидратации (15…30 %). Избыточное количество воды нужно для получения пластичной смеси и с течением времени оно неизбежно испаряется, оставляя после себя поры, снижающие плотность, прочность и долговечность искусственного камня. Поэтому при изучении свойств вяжущих веществ и при сравнении их технических показателей с нормативными всегда применяют смесь стандартной консистенции, содержащую строго установленное количество воды.

Строительный гипс получают при нормальном давлении в результате термической обработки при температуре 150…170 °С природного гипсового камня, измельченного в порошок до или после этой обработки.

Происходит частичная дегидратация двуводного гипса по реакции

CaSO₄·2H₂O = CaSO₄·0,5H₂O + 1,5Н₂О.

Кроме полуводного сульфата кальция гипсовое вяжущее содержит примеси глины, кварца, которые ухудшают качество вяжущего вещества.

Твердение гипсовых вяжущих веществ происходит по теории А.А. Байкова:

– на первом, подготовительном этапе частицы полугидрата при затворении водой начинают растворяться с поверхности до образования насыщенного раствора, одновременно начинается гидратация полуводного гипса по реакции

CaSO₄·0,5H₂O + 1,5Н₂О = CaSO₄·2H₂O.

Этот период характеризуется вязкопластичным текучим состоянием гипсового теста;

– на втором этапе (коллоидации) наряду с гидратацией растворенного полугидрата происходит прямое присоединение воды к твердым частичкам полуводного гипса; продукт гидратации – двуводный гипс образуется в виде высокодисперсных кристалликов, которые, выделяясь из пересыщенного раствора, образуют коллоидно-дисперсную систему в виде геля, где частички двугидрата связаны силами молекулярного сцепления (ван-дер-ваальсовыми); этот период характеризуется схватыванием (загустеванием) теста;

– на третьем этапе (кристаллизации) образовавшийся неустойчивый гель перекристаллизовывается в более крупные кристаллы, которые объединяются между собой в сростки, обеспечивая твердение и рост прочности камня вяжущего.

Названные этапы следуют не строго друг за другом, а налагаются один на другой и продолжаются до тех пор, пока весь полуводный гипс не перейдет в двуводный. При высыхании гипсовых изделий из водного раствора выделяется оставшийся в нем двугидрат, упрочняющий контакты в кристаллических сростках.

Многие вяжущие вещества при твердении дают усадку, что может привести к растрескиванию и снижению прочности искусственного камня. Для того чтобы уменьшить вредные последствия усадки, в растворы и бетоны вводят большое количество каменных заполнителей – песка, гравия, щебня. Гипсовые растворы и бетоны можно готовить и без заполнителей, т. к. гипс при твердении увеличивает свой объем на 0,5…1,0 %. Это свойство очень ценно, отлитые гипсовые изделия твердеют с уплотнением и точно передают очертания формы.

СТРОИТЕЛЬНАЯ ИЗВЕСТЬ

Общие сведения

Строительной известью называют минеральное вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) карбонатных горных пород (известняков, мела, доломитов и т.п.), состоящих преимущественно из углекислого кальция СаСО₃ и небольшого количества углекислого магния MgCO₃, а также примесей кварца и глины, которые ухудшают качество строительной извести.

В зависимости от содержания оксида магния MgO строительную известь разделяют на кальциевую (MgO<5 %), магнезиальную (MgO = 5…20 %) и доломитовую (MgO = 20…40 %).

Получение строительной извести происходит по следующей реакции

СаСО₃ = СаО + СО₂.

В зависимости от характера последующей обработки получают следующие виды извести:

− негашеная комовая (кипелка) СаО. Под действием воды известь гасится с большим выделением тепла. Лучше применять куски одинакового размера. Это связано с возможностью появления недожога и пережога извести. Воздушная известь − единственное вяжущее вещество, которое переводится в тонкодисперсное состояние под действием воды (гашением), т.е. химическим путем. Является полуфабрикатом для получения других видов извести. По скорости гашения различают быстрогасящуюся известь (скорость гашения менее 8 мин), средне гасящуюся известь (скорость гашения 8…25 мин) и медленногасящуюся известь (скорость гашения более 25 мин);

− негашеная молотая (Смирнова) СаО. Данная известь представляет собой тонкомолотый порошок извести-кипелки. Недостаток – быстрая потеря вяжущих свойств из-за высокой гигроскопичности. Желательно использовать сразу после помола. Время хранения 10…15 суток в сухих складах. Можно вводить тонкомолотые минеральные добавки. Для ускорения твердения вводят CaCL₂, для замедления – гипс, H₂SO₄ и ЛСТ. Кроме того, гипс и H₂SO₄ повышают прочность;

− известь гидратная (пушонка). Получается в результате гашения негашеной извести по реакции

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q.

Тепла выделяется до 280 ккал/кг. При гашении следует добавлять 60…80 % воды, тогда комья негашеной извести рассыпаются в порошок (пух), объем увеличивается в 2-3 раза. Если гашение происходит в замкнутом объеме, то появляются большие напряжения. Этот момент раньше использовали при раскалывании горных пород.

Известь-пушонка, реагируя с СО₂ воздуха, самопроизвольно переходит в известь-пыленку с потерей вяжущих свойств. Красочный слой при использовании пыленки – отбеливает (пачкает), т.к. известь не затвердевает на окрашиваемой поверхности и не сцепляется с ней;

− известковое тесто. Получается при добавлении в негашеную известь 200…300 % воды. Применяется для получения кладочных и штукатурных растворов;

− известковое молоко. Можно получать при добавлении воды более 400 % или после отстаивания известкового теста. Применяют как лакокрасочный материал. Качество известкового теста и известкового молока улучшается пропорционально времени.

В зависимости от вида извести и условий твердения различают гидратное, карбонатное и гидросиликатное твердение.

− гидратное твердение. Этот вид твердения происходит без выделения тепла, т.к. гашение извести уже произошло вне теста. Эффект твердения обусловливается взаимным сцеплением и срастанием образующихся субмикроскопических частичек гидроксида кальция и усиливается тем, что из-за химического связывания воды значительно увеличивается доля твердой фазы. При длительном твердении происходит карбонизация раствора;

− карбонатное твердение. Процесс постепенного затвердевания растворных и бетонных смесей, изготовленных из гашеной извести, при воздействии на них СО₂ воздуха по реакции

Са(ОН)₂ + nН₂О + СО₂ = СаСО₃ + (n+1)Н₂О.

Одновременно протекает 2 процесса: кристаллизация гидроксида кальция Са(ОН)₂ из насыщенного водного раствора и образование СаСО₃. Возможно также образование соединений типа СаСО₃·nСа(ОН)₂^.·mН₂О. Испарение воды уплотняет массу. Дальнейшее высыхание упрочняет ее, но процесс твердения идет очень медленно (месяцами и даже годами);

− гидросиликатное твердение. Процесс постепенного превращения известково-кремнеземистых смесей в камневидное тело, обусловленный образованием гидросиликатов кальция при тепловлажностной обработке в автоклавах при давлении 8…10 атм и температуре 170…200 ^оС.

Са(ОН)₂ + SiO₂ + nН₂О = СаО·SiO₂·(n+1)Н₂О.

Основные свойства строительной извести: белая, при твердении уменьшается в объеме, медленно твердеет, кроме извести Смирнова. Прочность зависит от условий твердения: при гидратном твердении прочность достигает 2 МПа через 28 суток, при карбонатном твердении прочность снижется, а при автоклавной обработке прочность может достичь 20 МПа. Применяется для получения растворов, бетонов низких марок, силикатного кирпича, известково-шлакового и известково-зольного кирпича, автоклавных материалов, смешанных вяжущих, красочных составов.

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Общие сведения

Цемент – обобщенное название группы гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются высокоосновные силикаты кальция (70…80 %), образовавшиеся при высокотемпературном обжиге (до спекания) природной ил специально подготовленной сырьевой смеси.

Портландцемент получается совместным помолом портландцементного клинкера и необходимого количества природного гипса. Гипс вводится для регулирования сроков схватывания (замедления) и для повышения коррозионной стойкости. Количество гипса не менее 3,5 % в пересчете на SO₃.

Клинкер получается в результате обжига до спекания дисперсной смеси глины (30…25 %) и известняка (75…80 %) или природного мергеля. Кроме того, в состав шихты вводятся мел и корректирующие добавки.

Для получения портландцемента химический состав клинкера должен содержать, масс. %: СаО = 63…66, SiО₂ = 21…24, AL₂O₃ = 4…8, Fe₂O₃ = 2…4. Из этого следует, что для получения портландцементного клинкера необходимо сырье, содержащее большое количество оксидов кальция, алюмосиликатов, а также некоторое количество оксидов железа. Этому условию отвечают широко распространенные осадочные горные породы – известняки глины, а также известковые мергели. В результате обжига сырьевой смеси образуются различные искусственные минералы.

Основные клинкерные минералы: силикаты 3CaO· SiO₂ − C₃S (алит) и 2CaOSiO₂ − С₂S (белит) и плавни (целит) − 3CaO· AL₂О₃ − С₃А и 4CaO· AL₂О₃ · Fe₂О₃ − C₄АF. Кроме того, в состав клинкера входят клинкерное стекло и инертные минералы CaO· SiO₂ − СS, 3CaO· AL₂О₃·2SiO₂ − С₃АS₂, периклаз MgO, свободная известь СаО _св, оксиды щелочных металлов и др.

В общем случае количество клинкерных минералов колеблется в достаточно больших пределах: C₃S = 40…75 %, C₂S = 5…25 %, C₃А = 2…15 % и C₄АF = 5…20 %. Количество тех или клинкерных минералов определяет и название портландцементов: высокоалитовые цементы имеют C₃S > 60 %, алитовые цементы имеют C₃S = 50…60 % и C₃А не более 8 %, белитовые цементы имеют C₂S >35 %, алюминатные цементы имеют C₃А > 12 %.

Свойства клинкерных минералов представлены в таблице 25.

Тонкий порошок портландцемента при затворении водой образует пластичное тесто, которое постепенно густеет, превращаясь в камневидное тело. Твердение портландцемента обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

Таблица 25 – Основные свойства клинкерных минералов портландцемента

Минерал	Формула	Свойства минералов
		прочность	скорость твердения	Стойкость
Алит	C3S	1	2	-
Белит	C2S	2	4	+
Целит	C4АF	3	3	Не стоек к сульфатной коррозии
Целит	C3А	4	1

Уже в начальный период происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида кальция

2(3СаО·SiО₂) + 6Н₂О = 3СаО₂·SiО₂·3Н₂О + 3 Са(ОН)₂.

Белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше гидроксида кальция

2(2СаО·SiО₂) + 4Н₂О = 3СаО₂·SiО₂·3Н₂О + Са(ОН)₂.

Взаимодействие C₃А с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция

3СаО·AL₂О₃ + 6Н₂О = 3СаО·AL₂О₃·6Н₂О.

Для замедления сроков схватывания при помоле в состав смеси вводится гипсовый камень, который играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с C₃А и связывающий его в гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) в начале гидратации портландцемента

3СаО·AL₂О₃ + 3(CaSO₄·2H₂O) + 26Н₂О = 3СаО·AL₂О₃·3CaSO₄·32H₂O.

В насыщенном растворе Са(ОН)₂ эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии. Осаждаясь на поверхности частиц 3СаОAL₂О₃, эттрингит замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает прочность и стойкость. Структура цементного камня улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.

C₄АF при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит

4СаО·AL₂О₃·Fe₂O₃ + 10Н₂О + 2Са(ОН)₂ = 3СаО·AL₂О₃·6Н₂О +3СаО·Fe₂O₃·6Н₂О.

Гидроалюминат связывается природным гипсом, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

В сформировавшемся цементном камне, даже после большого срока твердения, сохраняются не полностью гидратированные частицы клинкера, рассредоточенные среди гидратных новообразований.

К основным свойствам портландцемента относят:

− тонкость помола, характеризуемая остатком на сите 008 ≤ 15 %, что соответствует S_уд = 2500…3000 см²/г;

− водопотребность цементного теста, оцениваемая количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной (стандартной) густоты: обычно бывает в пределах 21…28 %;

− сроки схватывания, определяемые на цементном тесте нормальной густоты; Н_схв ≥ 45 мин, К_схв ≤ 10 час;

− прочность, являющаяся главным показателем качества портландцемента и определяемая по показателям пределов прочности при изгибе и при сжатии через 28 суток нормального твердения. По этим показателям устанавливается марка портландцемента (таблица 26);

Таблица 26 – Требования к маркам портландцемента

Марка (класс) цемента	Предел прочности, МПа, не менее
	при изгибе	при сжатии
400	5,4	39,2
500	5,9	49,0
550	6,1	53,9
600	6,4	58,8

− цвет – серый с зеленоватым оттенком;

− плотность 3,0…3,2 г/см³.

Регулировать свойства портландцемента можно различными способами, одним из приоритетных направлений является введение добавок. Добавки по степени влияния на свойства портландцемента и по назначению подразделяются на:

− компоненты вещественного состава (активные минеральные добавки АМД);

− наполнители, улучшающие зерновой состав цемента и структуру затвердевшего камня;

− технологические добавки, интенсифицирующие процесс помола цемента;

− добавки, регулирующие основные свойства цемента;

− добавки, регулирующие специальные свойства цемента;

Особая роль среди всего многообразия используемых добавок отводится ПАВ, которые весьма эффективны при регулировании основных и специальных свойств вяжущих веществ. Теоретическое определение оптимального количества вводимых добавок пока еще затруднительно и поэтому в каждом конкретном случае требуется проводить соответствующие экспериментальные исследования для проверки их действия.

Таблица 27 – Классификация песков по крупности

Группа песка	МК	А 0,63,%
Очень крупный	Свыше 3,5	Свыше 75
Повышенной крупности	3,0...3,5	65. ..75
Крупный	2,5...3,0	45…65
Средний	2,0…2,5	30…45
Мелкий	1,5…2,0	10…30
Очень мелкий	1,0…1,5	Менее 10
Тонкий	0,7…1,0	Не нормируется
Очень тонкий	Менее 0,7	Не нормируется