Строительные материалы статьи

Снижение энергетических затрат на процессы твердения силикатных систем

Важным фактором снижения топлив­но-энергетических затрат в производстве строительных материалов является ис­пользование безобжиговых вяжущих. К піковим OIносятся, например, шлакоще - личвые вяжущие, вулканические и тех­ногенные стекла и др.

Получение силикатных строительных ма­териалов базируется на взаимодействии компоненти системі»! CaO—SiO»*—H2O.

Система CaO SK)»- ІІ2О, широко ис­пользуемая в производстве различных строительных материалов, достаточно глубоко изучена с позиций механизма реакции, анализа ее продуктов и энер­гетики. Один ко в настоящее время от­сутствует аналитическое обоснование параметров энергетических затрат па процессы синтеза из этой системы гид­ра тосиликатов кальция при использова­нии в качестве S1O2 различных кремне­земистых компонентов, отличающихся физическим, а следовательно, и энерге­тическим состоянием.

В результате проектирование составов її технологии силикатных строительных материалов с использованием различ­ных природных и техногенных кварцсо - держашнх компонентов осуществляется па основе длительных и трудоемких экс­периментальных исследований н не все­гда обеспечивает минимизацию топлив­но-энергетических затрат на производст­во. Заводская практика показала, что не в полной мере используется энергетиче­ский потенциал кремнеземистого компо­нента.

В настоящих исследованиях выполнен теоретический и экспериментальный анализ энергетических затрат на про­цесс синтеза искусственного камня за­данной прочности из системы СаО — S2—НаО и выявлены зависимости этих затрат от исходного энергетического состояния Sj02.

В теоретических исследованиях на дан­ном этапе не учитывалось влияние на энергетические затраты параметров слоя новообразований иа частицах Si02, пе­ременный состав новообразований, не­которая нелинейность зависимости со­став свойство.

Известно, что роль СаО и НгО как активных компонентов системы СаО— Si02—Н2О заключается в разрыхлении первоначальной структуры Si02 и фор­мировании на основе этого структурооб­разующих кристаллогидратов — гидро­

Сил икатов С а. Энергетическое воздейст­вие извне на систему (тепловлажностная обработка) направлено иа ускорение ре­акций гидратации диоксида кремния. Поскольку СаО и Н20 обладают строго определенными возможностями в разру­шении исходной структуры Si02 до ре­акционно-способного состояния, или ина­че, они имеют определенный энергети­ческий потенциал, то, естественно, что общие энергетические затраты Е0 на ре­акцию гидратации: CaO-j-nSiOg+mHoO-*

CaO*п Si02 -ш Н20 являются функ­цией энергии активизации кремнезема

IrSi02 .

^акт *

= (1)

Gl Q

Е аКу характеризует исходное энер­гетическое состояние SiС)2, указывая при этом тепловые затраты на перевод его в реакциониоспоеобное состояние (рис. 1).

Исходя из этого, общие прогнозные энергетические затраты Ес на процесс синтеза искусственного камня опреде­ленного состава, кДж/моль. для гидра­тируемой системы СаО-—Si()2 — Н20 могут быть определены нз выражения

Јo=IE! J?*-(Јs., + C + JV)]. (2)

Где Е^кт’-- энергия активации Si02 до реакциошкх'иособного состояния, кДж/ /моль; E-j.-j. -— величина экзотермическо­го эффекта от реакции гидратации вя­жущей системы, кДж/моль; С — энерге­тический вклад в ослабление или раз­рушение связи между кремнием и кис­лородом в Si02 химической средой, ко­торая может быть представлена раство­ром щелочей, водой и т. д., кДж/моль; N — теплота смачивания, кДж/моль.

Калориметрические эксперименты пока­зывают, что величина ^акт* составля­ет — 0,75 АН, где АН— энтальпия Si02. Анализ предлагаемой формулы (2) до­казывает ее реальность и логичность. Так, например, в случае использования высокоактивных сред растут слагаемые С и. Ев. д. Это должно привести при по­стоянном значении АН к уменьшению внешних энергетических затрат (£о), что и наблюдается в действительности при твердении шлакощелочных и пер­литово-известково-гипсовых вяжущих веществ.

По данным В. Д. Глуховского, процес­сы гидратации и твердения силикатных систем в присутствии высокоактивной щелочной среды интенсивно протекают при комнатной температуре без подвода дополнительной тепловой энергии. В другом случае, когда гидратируемое вя­жущее само находится в активном со­стоянии (цементы), значения Е0 стано­вятся малыми и для синтеза искусствен­ного камня не требуется практически подвода энергии извне.

Расчет по формуле (2) для системы CaO—Si02—Н20 в случае использова­ния в качестве Si02 кварца и стекла дает следующие результаты. Для обра зования однокальциевых гидросилика­тов из данной системы с использовани­ем кварца потребуется 71,2 кДж/моль, а для стекла всего 57,2 кДж/моль, т. е.

Энергетические затраты снижаются в

1,2 раза.

Для проверки достоверности теорети­ческих выкладок проведена серия экс­периментов в лаборатории минерально­го сырья Бурятского филиала СО АН СССР.

В качестве Si02 использовали кри­сталлический кварц и аморфное кварце­вое стекло с содержанием Si02 99,8%; применяли СаО марки ЧДА. Эти ком­поненты, взятые в соотношении СаО/ /Si02= 1. совместно размалывали до удельной поверхности 350+5 м2/кг. Под­готовленные таким образом две исход­ные шихты затворяли водой до конси­стенции теста нормальной густоты, фор­мовали образцу и автоклавировали их в лабораторном автоклаве при различ­ных режимах тепловой обработки. Вели подсчет энергетических затрат, подво­димых извне к системе CaO — Si02 — Н20, и определяли прочность и состав синтезируемого искусственного камия (рис. 2).

Из экспериментальных исследований следует, что искусственный камень рав­ной прочности и идентичного состава синтезируется на исследуемой вяжущей системе с Si02 кристаллическим и аморф­

Ным при различных энергетических за­тратах: в первом случае — при

70,9 кДж/моль, во втором — 56,8 кДж/ /моль гидросиликата. Полученные дан­ные свидетельствуют о необходимости обязательного учета исходного энергети­ческого состояния кремнеземистого компонента вяжущих систем при назна­чении общих тепловых затрат на про­цесс синтеза искусственного камия. Кроме того, эксперименты, проведенные на системе CaO — Si02—Н20, подтвер­ждают принципиальную верность пред­ложенной формулы (2) для прогнозных расчетов общих тепловых затрат на процесс гидратации и твердения тради­ционных силикатных вяжущих систем. Расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями состав­ляют всего 1 70-

Анализ заводских технологий произ­водства строительных изделий показы­вает, что энергетические затраты при автоклавировании по заводским режи­мам превосходят оптимальные в 1,45—

1,6 раза. Вместе с тем теоретическое ос­мысливание и экспериментальные прора­ботки показывают, что прочность сили­катного камия, синтезированного из раз­личных форм кремнеземистого компо­нента, зависит не только от суммы об­щих энергетических затрат, но и от ки­нетики (темпа) подвода энергии в си­стему. Этот фактор должен обязатель­но учитываться при назначении произ­водственных режимов изготовления си­ликатных материалов.

Таким образом, учет исходного энер­гетического состояния SiO? при назначе­нии энергетических затрат иа синтез ис­кусственного камия в системе СаО — Si02 — Н20 в решении задачи по пред­лагаемой формуле (2) позволяет реали­зовать энергосберегающую технологию в производстве силикатных материалов.