1 состояние вопроса на данном этапе развития цивилизации стоят проблемы экологии, энергосбережения и оптимизации системы «человек – материал – среда обитания»

1.4 Влияние глинистых пород на свойства прессованных материалов
автоклавного твердения
В 1880 году немецкому ученому Михаэлису был выдан патент на получение известково-песчаных изделий путем их запаривание в автоклаве. Им была выра-ботана технология приготовления смесей гашеной извести и песка, созданы прес-сы для формования и способ запаривания при повышенном давлении пара [45, 340].
Уже в 1912 г для повышения прочности кирпича рекомендовалось включать в смесь молотый обожженный глиняный кирпич. Было также замечено, что до-бавка в силикатную массу природной глины не снижает качество кирпича при условии достаточного перемешивания сырьевой смеси. Однако хорошо смешать глину с силикатной массой оказалась трудной задачей. Так, по мнению Михаэли-са, использование песка с высоким содержанием глины приводит к повышению расхода извести [340]. Некоторые исследователи при использовании глины получили отрицатель-ные результаты. Так, по мнению М. Глазенаппа глина при гидротермальной обра-ботке обволакивает частицы песка и препятствует действию на них гидроксида кальция. А. Таль [341] указывал на вредное влияние каолина, так как при этом, по его мнению, замедляется разложение песка. Н. Н. Смирнов [248] считал, что гли-нистое вещество замедляет образование гидросиликата из-за присутствия глино-земистых соединений.
Г. Э. Бесси [326] считает, что содержание глинистых и илистых частиц в песке должно находиться в пределах 2–4 мас. %. Меньшее содержание снижает прочности сырца, большее оказывает отрицательное воздействие на прочность и долговечность кирпича, что обусловлено образованием алюминатов и алюмоси-ликатов кальция, обладающие слабыми вяжущими свойствами. Из-за этого сло-жилось мнение об ограниченности сырьевой базы для производства силикатного кирпича.
Возможность изготовления автоклавных материалов из глино-известковых масс была впервые экспериментально доказана в СССР. П. П. Будников устано-вил, что введение в глину Са(ОН)2 в количестве 5 мас. % позволяет получить твердеющий и неразмываемый в воде материал [342]. Однако недостатком была невысокая механическую прочность в водонасыщенном состоянии.
Совершенно иные результаты получились при автоклавной обработке гли-но-известковых образцов [343–348]. Исследования показали, что в зависимости от вида глины, содержания извести, давления и времени запаривания можно полу-чить той или другой прочности кирпич.
Наиболее подробные исследования по вопросу о пригодности глины для ав-токлавных материалов впервые провел в 1939–40 гг. С. М. Розенблит [269, 270]. Автор, анализируя прежние работы, пришел к выводу, что большинство исследо-вателей в своих опытах добавляли глину в сырьевую массу способом, не обеспе-чивающим получение однородной смеси. В результате своих проведенных экспе-риментов С. М. Розенблит сделал вывод, что глина, добавленная в сырьевую смесь и равномерно распределенная в ней, существенно повышает прочность сырца и запаренного кирпича, а также увеличивает морозостойкость. Для получе-ния такой смеси глину следует добавлять в смесь в виде порошка или в виде гли-нистого молока. Рост прочности кирпича, по мнению С. М. Розенблита, обуслов-ливается благотворным влиянием глины на процесс уплотнения сырца, а также взаимодействием глины с известью, которое повышает прочность материала больше, чем взаимодействие системы песок–известь.
Г. Г. Никольский и К. Н. Дубенецкий [271] установили, что морозостой-кость изделий на основе известково-глино-песчаной смеси выше, чем на основе известково-глиняной. При этом содержание песка должно составлять до 30 % от массы всей смеси. С увеличением давления пара прочность и морозостойкость изделий повышаются. Оптимальной продолжительностью запарки принято 8 ч, но допускается снижение до 6 ч.
Установлено, что трехкомпонентные смеси обеспечивают возможность производства силикатного кирпича из магнезиальных известей [271,349,350]. По-ложительное влияние глины объясняется тем, что в начальный период гидротер-мальной обработки более реакционная глина, взаимодействуя с известью, образу-ет прочный каркас из цементирующих соединений, который препятствует увеличению объема материала и появлению трещин в процессе догашивания MgO.
Широкомасштабные исследования по изготовлению известково-глино-песчаных и известково-глиняных материалов автоклавным способом были прове-дены в институте РОСНИИМС [268, 272, 279, 351–359]. Было доказано, что пол-ноценные по физико-механическим свойствам стеновые материалы могут быть получены при использовании в качестве кремнеземистого компонента песков, со-держащих значительное количество глинистых примесей, смеси песка и глины, а также одной только глины.
Добавка глины в виде мелких, равномерно распределенных в песке частиц улучшает зерновой состав сырьевой смеси, повышается прочность сырца и запа-ренного кирпича. Оптимальная добавка исследованных глин составляет в преде-лах 40–60 мас. %. Наибольший эффект достигается при введении глины в массу на основе крупнозернистого песка [272, 351, 356].
Повышение прочности при замене песка глиной дает возможность суще-ственно сократить расход извести или при сохранении расхода извести повысить прочность кирпича. Возможно также сокращение продолжительности запарива-ния [272, 281, 353, 360].
Добавка глины повышает эффективность повышения давления прессования. Прочность кирпича, изготовленного из смеси с добавкой глины, можно повысить за счет увеличения давления прессования на 3–5 МПа [353].
Положительное влияние глины С. А. Кржеминский и др. [148, 289, 355] объясняют повышением плотности изделий и количества новообразований за счет увеличения степени вовлечения в сферу реакции SiO2.
С. А. Кржеминским и О. И. Рогачевой и др. [279, 290, 355, 361, 362] была исследована возможность введения глины совместно с ускорителями твердения в известково-песчаную смесь. Установлено, что эффект от совместного введения глин и ускорителей твердения зависит, вероятно, как от природы глины, так и от вида ускорителя.
Исследования по получения глино-известковых материалов были проведе-ны под руководством П. П. Будникова [253, 267, 272, 275, 277, 285, 287, 363–365]. Показана положительная роль глины в улучшении физико-механических показа-телей автоклавных материалов. Установлено, что прочность глино-известковых образцов не снижается резко с уменьшением температуры гидротермальной обра-ботки, как для известково-песчаных масс. Глино-известковый кирпич можно ав-токлавировать при давлении всего лишь в 0,2–0,3 МПа не увеличивая времени обработки, за счет чего можно продлить срок службы автоклавов. Глино-известковый кирпич требует почти вдвое меньше извести, чем силикатный. Проч-ность такого кирпича повышается при хранении, как на воздухе, так и в воде, т.е. полученный материал обладает гидравлическими свойствами.
Х. Поллет [366] получил силикатокальциевые строительные материалы, в которых вместо песка используется глина. Прочность при сжатии после автоклав-ной обработке при давлении 16 атм составила 90 МПа. Повторная тепловая обра-ботка при 350 ºС в сушильной печи повысила прочность изделий до 160 МПа.
И. М. Викарий [367] установил, что прочность глино-известковых изделий резко возрастает при нагревании до температуры порядка 400–600 С.
Изучено влияния предварительной термообработки глины на прочность глино-известковых образцов. Был сделан вывод, что чем в большей степени про-изошла дегидратация глины, тем ниже получается прочность глино-известковых образцов [275, 295, 368].
Известково-глиняные изделия обладают повышенными показателями рас-ширения при увлажнении. По данным авторов [287] наименьшим расширением при увлажнении обладают изделия из каолина, и наибольшим – из бентонита.
И. В. Курсенко, Ю. М. Бутт и др. [290, 369] установили, что эффективный стеновой материал может быть получен на основе лесса. Испытания изделий на водонепроницаемость и морозостойкость показали положительные результаты.
И. И. Кисель и др. [370] предложили для повышения механической прочно-сти известково-песчаных изделий добавки (до 40 мас. %) глино-солевого шлама, являющийся отходом производства калийных удобрений.
Ю. М. Бутт и Б. Паримбетов [371] изучили влияние добавок гипса на свой-ства известково-глиняных изделий и установили, что двуводный гипс повышает прочность материалов при обработке паром атмосферного давления и снижает прочность при обработке паром избыточного давления.
Г. И. Овчаренко и др. [372] установили, что прочность автоклавного сили-катного материала на основе кварцевого песка с содержанием суглинка повыша-ется с 15 до 35 МПа. Однако при этом снижается его морозостойкость. Частичная замена суглинка микрокремнеземом позволяет повысить морозостойкость камня.
Природные глины, как правило, содержат примеси различных соединений, которые придают им окраску. Окислы и гидроокислы железа, особенно в тонко-рассеянной форме, окрашивают глины в различные оттенки желтого, розового и фиолетового цветов, окислы марганца в бурый цвет. Примесь хлоритов, глауко-нита, соединений никеля вызывает появление зеленоватых и голубоватых цвето-вых оттенков различной интенсивности и яркости. Это позволяет использовать глины для объемного окрашивания [373–376]. Причем, долговечность и атмосфе-ростойкость таких систем значительно выше, чем за счет искусственных красите-лей, которые применяют в настоящее время в мировой практике.
Литературные сведения о вяжущих свойствах природных магнийсодержа-щих минералах весьма ограничены. Кроме этого, долгое время существовало мнение о том, что природные силикаты магния не обладают вяжущими свойства-ми. Всесторонние исследования закономерности образования гидросиликатов магния в гидротермальных условиях и изучение их свойств, осуществленные под руководством П. И. Боженова, О. П. Мчедлова-Петросяна, Г. И. Книгиной и др., позволили привлечь дополнительные сырьевые ресурсы для производства авто-клавных материалов в виде побочных продуктов промышленности, содержащие различные силикаты кальция и магния.
М. Ф. Медведев [377] установил, что при обжиге серпентина в температур-ном интервале 650–700 °С протекает реакция с образованием активного по отно-шению к извести кремнезема. При помоле смеси обожженных серпентиновых по-путных продуктов и извести получается вяжущее, способное при затворении водой твердеть в естественных условиях.
П. И. Боженов и В. С. Сальникова [378] впервые экспериментально доказа-ли, что при автоклавной обработке магнийсодержащих минералов (серпентинов, оливинов и др.) за счет образования гидросиликатов магния можно получить ис-кусственный камень с высокими прочностными характеристиками.
Работами, выполненные на кафедре строительных материалов ЛИСИ, уста-новлено, что хвосты обогащения железных, вермикулитовых, асбестосодержащих и других руд можно использовать в производстве различных строительных мате-риалов [379–381]. С этой целью изучались также безводные природные силикаты магния. Было установлено, что горные породы, содержащие безводные силикаты магния, можно использовать в производстве строительных материалов [231, 382]. Показано, что на основе безводных силикатов магния, представленных оливини-тами Кольского полуострова и извести было получено безобжиговое вяжущее. Проведенные промышленные испытания показали возможность получения на этом сырье автоклавного кирпича марки 100–200.
На Березниковском заводе силикатного кирпича было выпущено 8 млн. штук автоклавного кирпича с использованием пироксенитовых хвостов Качка-нарского ГОКа [232, 280]. Хвосты вводились в силикатную массу в тонкоизмель-ченном состоянии в качестве активной составляющей взамен извести. Получен-ный кирпич по своим свойствам удовлетворял требованиям стандарта на силикатный кирпич. Средняя марка опытного кирпича получилась выше средней заводской марки силикатного кирпича.
П. П. Ступаченко [383], изучая пироксенитовые породы Приморского края, также подтвердил, что размолотая порода без добавок показала невысокие вяжу-щие свойства, при введении 20–30 мас. % молотой негашеной извести образцы жесткой консистенции, подвергнутые запариванию в автоклаве при температуре 175 °С в течение 8 ч, показали прочность при сжатии 7,5–10 МПа.
Таким образом, большинство исследователей пришли к выводу, что многие глинистые породы повышают прочность сырца и запаренного кирпича, а также увеличивают морозостойкость. При этом возможно сокращение расхода извести, снижение давления автоклавной обработки и его продолжительности, что позво-лит продолжить эксплуатацию автоклавов, выработавших свой ресурс. Однако не разработано научно обоснованной методики расчета известково-глинистого вя-жущего и нет единых рекомендаций способа приготовления известково-глино-песчаной смеси, что не позволяет скорректировать сырьевую массу для получения прочных и долговечных изделий. Данные о влиянии на прочностные показатели силикатных материалов мономинеральных глин противоречивы. В проведенных работах преимущественно исследовались глинистые породы, используемые для производства керамического кирпича, а нетрадиционные для стройиндустрии глинистые породы НСМ не изучались.
Установлена возможность использования для производства автоклавных материалов магнийсодержащих минералов (серпентины, оливины и др.). Пригод-ность в качестве сырья магнезиальных глин не изучалась.