Физико-химические основы пропаривания

В автоклаве происходят сложные процессы, превращающее исходное сырьё в прочный искусственный камень заданной плотности и формы, удовлетворяющий условиям эксплуатации выпускаемых предприятием изделий. Свойства такого камня зависят от режима автоклавной обработки, параметров водяного пара, времени и условий предавтоклавного хранения, автоклавирования изделий в формах или без форм, размера изделий и т.д.

Основная задача автоклавной обработки – создание условий для интенсивного образования гидросиликатов кальция, что обеспечивается соответствующими параметрами водяного пара. [1]

В процессе автоклавной обработки кирпича – сырца различают три стадии. Первая стадия начинается с момента впуска пара в автоклав и заканчивается при поступлении равенства температур теплоносителя и обрабатываемых изделий. Вторая стадия характеризуется постоянством температуры и давления в автоклаве. В это время получают развития все те физико-химические процессы, которые способствуют образованию гидросиликатов кальция. Третья стадия начинается с момента прекращения доступа пара в автоклав и включает время остывания изделий в автоклаве до момента выгрузки из него готового кирпича.

В первой стадии запаривания в автоклав впускают насыщенный пар с температурой 186°С под давлением 18 атм. При этом пар начинает охлаждаться и конденсироваться на кирпиче-сырце и стенках автоклава. После подъёма давления пар начинает проникать в поры кирпича и здесь превращается в воду. При этом вода вытесняет из пор сырца некоторое количество находящегося в них воздуха, а часть его сжимает. Образовавшийся в порах конденсат растворяет присутствующий в сырце гидрат окиси кальция и другие растворимые вещества, входящие в состав сырца. Так как в этот период концентрация извести в растворе выше, чем концентрация кремнезема, то вначале выделяются высокоосновные соединения типа гидрата L – C₂S.

Когда в автоклаве будет достигнута наивысшая температура, наступает вторая стадия запаривания. В это время максимальное развитие получают все процессы, которые ведут к образованию монолита. Прогрев сырца происходит за счёт теплопроводности вследствие передачи тепла от омывающего наружные поверхности конденсирующегося насыщенного пара. После выравнивания температур паровой среды и сырца передача ему тепла и конденсата прекращается, пар расходуется только на возмещение теплопотерь через стенки и крышки автоклава.

Концентрация растворённой извести в воде, находящейся в порах сырца, в это время наименьшая, а кремнезема – наибольшая, что способствует протеканию реакций между ними в жидкой фазе, в результате чего образуется гидросиликаты кальция (СaO ∙ SiO₂ ∙ nH₂O) низкоосновные и одновременно идёт перекристаллизация коллоидных адсорбционных комплексов. При израсходовании всей извести начинается растворение части ранее возникших высокоосновных гидросиликатов кальция, переход их в низкоосновные, придающие повышенную прочность кирпичу.

Обычно в силикатном кирпиче к концу периода изотермической выдержки новообразования состоят из смеси из высоко – и низкоосновных гидросиликатов кальция, лучше закристаллизованных в наружных и содержащих больше гелевидных фаз во внутренних зонах кирпича.

С прекращением подачи пара начинается падение температуры в автоклаве. Давление в автоклаве начинает снижаться и находящаяся в порах кирпича вода становится перегретой и бурно вскипает. Быстро выходящий из пор кирпича пар механически увлекает за собой часть содержащейся в них влаги, что способствует подсушке кирпича.

При снижении температуры и уменьшении количества жидкости, находящейся в порах кирпича, по-разному изменяется концентрация растворимых в ней веществ. Так, концентрация извести, если она осталась в свободном виде, увеличивается, а концентрация кремнезема снижается. Уменьшается влажность гелевидных новообразований, что повышает их прочность.

В результате снижения давления в автоклаве до атмосферного из кирпича удаляется вся вода, внесённая в сырец конденсатом и часть формовочной влаги. Температура кирпича понижается до 100°С. При открывании крышек автоклава и выкатки вагонеток на открытый воздух происходит дальнейшее интенсивное испарение влаги из горячего кирпича и снижение его температуры. [3]

Таким образом, между компонентами уплотнённой смеси известково – кремнеземистого вяжущего и песка, находящейся в автоклаве при повышенной температуре и влажности, происходит химическое взаимодействие, в результате которого возникают гидросиликаты кальция различного состава, цементирующие зёрна песка.

Из более чем 20 известных сейчас гидросиликатов кальция практическое значение в реальных условиях температурно-влажностного режима запаривания и соотношения компонентов смеси для силикатного кирпича имеют гидрат L – C₂S, CSH и C₂SH₂ , в некоторых случаях тоберморит (C₅S₆H_5-6) и очень редко ксонотлит (C₆S₆H).

Состав гидросиликатов кальция зависит от соотношения между активной окисью кальция и кварцевой мукой, от дисперсности последней, содержание вяжущего и воды в смеси, температуры и длительности автоклавной обработки.

Цементирующее вещество, состоящее в основном из гидросиликата CSH получается в реальных условиях при C/S = 0.3, а при C/S = 0.4/0.8 в цементирующем веществе наблюдается смесь гидросиликатов CSH и гидрата L – C₂S в разных соотношениях, что повышает прочность кирпича.