В настоящее время Забайкальским институтом железнодорожного транспорта изучается вопрос о целесообразности применения пеностекольного щебня или гравия при устройстве теплоизоляционных слоев для регулирования теплового режима земляного полотна автомобильных и железных дорог.
Пеностекло -- это высокопористый теплоизоляционный материал с замкнутой ячеистой структурой, представляющей собой застывшую стеклянную пену с размером ячеек 1...5 мм. Пеностекольный щебень представляет собой куски пеностекла неправильной формы, полученной из отходов пеностекольной промышленности или как целевой продукт. Производство пеностекла возможно из утилизированного стеклобоя путем помола и термообработки с добавлением порообразователя или по более прогрессивным технологиям.
Впервые пеностекло получено советским академиком И.И. Китайгородским еще в 30-е гг. ХХ в. В Советском Союзе до начала 90-х гг. работало четыре завода по производству этого материала, но к настоящему времени из них функционирует только один на территории Белоруссии -- в Гомеле (ОАО «Гомельстекло»).
Пеностекольный щебень совмещает в себе функции теплоизоляции и дренирующего материала. Имея низкую гигроскопичность, пеностекло не теряет своих свойств в переувлажненной среде, не требует дополнительной защиты от негативного воздействия окружающей среды и нагрузок.
Дополнительные слои из подобных материалов обеспечивают требуемую по расчету прочность или морозостойкость грунтового сооружения, а также предохраняют земляное полотно и основание насыпей от глубокого промерзания, что актуально в условиях континентального климата.
Аналогичный теплоизоляционный материал используют в дорожном строительстве в Норвегии, где климатические условия более суровые, чем в предгорных районах Германии.
Однако представленные на рынке пеностекольные материалы имеют высокую цену в связи с недостатками в технологии его получения. Такими недостатками можно считать использование стеклобоя как исходного сырья в связи с нестабильными объемами поставок и различиями в характеристиках, а также высокие энергозатраты, связанные с переплавкой и вспениванием.
Альтернативной технологией получения пеностекла является использование в качестве начального сырья составов на основе цеолитового туфа, широко распространенного в Забайкалье, и применение специальных плавней для низкотемпературного вспенивания при температурах ниже 800. °С.
Исследования пеностекла, произведенного из цеолита, показали его эффективность в сравнении с другими строительными материалами.
Результаты исследований отражают преимущества пеностекла перед другими теплоизоляционными строительными материалами и подтверждают возможность его использования в качестве теплоизоляционных слоев для регулирования воднотеплового режима различных сооружений.
Таким образом, пеностекло, полученное из цеолитов, позволяет решить проблему надежности и устойчивости земляного полотна за счет создания местного конкурентоспособного теплоизоляционного материала, а также дополнительных рабочих мест и развития производства в регионе [2].
МИНЕРАЛЬНО-ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕМОНТА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХКОНСТРУКЦИЙ
Длительная эксплуатация домов и сооружений большинства предприятий предопределяет необходимость проведения работ по возобновлению их эксплуатационных свойств. Для этого, чаще всего, проводят нанесение дополнительного слоя бетона. При этом, должно быть обеспечено надежное соединение «старого» бетона конструкции с «новым» бетоном ремонтных элементов.
Большинство реакций взаимодействия между материалом строительной конструкции и компонентами бетона, который на нее наносится, будут проходить лишь на грани их раздела. Степень этих взаимодействий определяет прочность их контакта (контактной прослойки). Прочность контактной прослойки в первую очередь формируется за счет адгезии нанесенного бетона к поверхности строительной конструкции и их механического сцепления.
Результаты исследований показали, что введение в портландцемент комплексной добавки, которая состоит из железосодержащего вещества и молекулярно коллоидного щелочного поверхностно-активного вещества (ПАВ), за счет увеличения степени конденсации компонентов этой системы на поверхности строительной конструкции, обеспечивает высокую прочность сцепления «нового» бетона с материалом конструкции. При этом прочность их контакта остается достаточно высокой и при действии отрицательных температур.
Анализ известных результатов исследований показал, что наиболее важную роль в процессе сцепления «старого» и «нового» бетонов играет адсорбция компонентов
«нового» бетона на поверхности «старого», а также их адгезионное сцепление.
Адсорбционная активность карбоксильных ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Однако если в ряду ксантогената хорошими адгезионными свойствами обладают уже низшие гомологи, например этиловый и бутиловый ксантогенат (с 2-4 атомами углерода), то среди жирных кислот заметное адсорбционное действие оказывается лишь у гомологов с 10-12 атомами углерода. Адсорбционная активность жирных кислот зависит также от ненасыщенности углеводородного радикала.
Практика показывает, что при том же количестве атомов углерода в радикале, чем более не насыщен радикал, тем большим адсорбционным действием владеет карбоксил удерживающий реагент.
На основании приведенного материала можно считать установленным, что взаимодействие карбоксильной ПАВ с не сульфидными минералами, которые не нуждаются в активации, являет собой хемосорбцию или - при высоких расходах - гетерогенную химическую реакцию. При этом вторичные сорбционные прослойки в случае образования полимолекулярного покрытия, возможно, менее прочно закреплены на поверхности.
Учитывая известные исследования [3] в области адсорбции разных органических веществ на поверхности твердых тел, и их адгезионного сцепления, которые приведены выше, разработан минерально-органический материал (МОМ), действие которого основано на повышенной адсорбции эфиров к железосодержащим веществам и взаимодействию глицерина с кальциевой составляющей этого материала. Объяснить механизм действия разработанного МОМ можно таким образом. Как известно, глицериды ненасыщенных кислот с двумя и больше двойными связями, при окислении кислородом образуют вещество - линоксин. То есть такие глицериды, поглощая кислород, самоокисляются. На первой стадии такого окисления образуются гидропероксидные группировки. Потом с помощью пироксидных мостиков отдельные молекулы ненасыщенных глицеридов совмещаются между собой с образованием пространственной полимерной структуры. Кроме этого глицериды, как сложные эфиры, с большей или более малой скоростью расщепляются водой - поддаются гидролизу. Их гидролиз усиливается ионами гидроксида. При наличии щелочи глицериды расщепляются с образованием спирта (в данном случае глицерина) и соответствующей соли ВЖК - мыла[3].
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК В ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ПРОКАЛЕННОЙ И МОЛОТОЙ ГЛИНЫ С СОДЕРЖАНИЕМ 40% КАОЛИНИТА НА ПРОЧНОСТЬЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
Портландцемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер -- продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция (3СаО·SiO2 и 2СаО·SiO2 70-80 %).
Самые распространённые методы производства портландцемента так называемые «сухой»и«мокрый».Всёзависитоттого,какимспособомсмешиваетсясырьеваясмесь в виде водных растворов или в виде сухихсмесей.
При измельчении клинкера вводят добавки: 1,5…3,5 % гипса СaSO4·2H2O (в перерасчёте на ангидрид серной кислоты SO3) для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.
Сырьём для производства портландцемента служат смеси, состоящие из 75…78 % известняка (мела, ракушечника, известнякового туфа, мрамора) и 22…25 % глин (глинистых сланцев, суглинков), либо известняковые мергели, использование которых упрощает технологию. Для получения требуемого химического состава сырья используют корректирующие добавки: пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески, опоки,трепелы.
При мокром способе производства уменьшается расход электроэнергии на измельчение сырьевых материалов, облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, выше гомогенность шлама и качество цемента, однако расход топлива на обжиг и сушку составляет на 30-40 % больше чем при сухом способе.
Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 470°C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны:
сушки (температура материала 100…200 °C -- здесь происходит частичное испарение воды);
подогрева (200…650 °C -- выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле:
Al2O3·2SiO2·2H2O > Al2O3·2SiO2 + 2H2O
далее при температурах 600…1000 °C происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты;
декарбонизации (900…1200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО3 > СаО + СО2, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al2O3, SiO2) в этой же зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений (СаО· Al2O3 -- сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С3А), протекающихступенчато;
экзотермических реакций (1200…1350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С3А, С4АF (F -- Fe2O3) и C2S (S -- SiO2) -- 3 из 4 основных минералов клинкера;
спекания (1 300>1 470>1 300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C2S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С3S);
охлаждения (1 300…1 000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.
Узнать данный вид цемента можно по внешнему виду -- это зеленовато-серый порошок. Как и все цементы, если к нему добавить воду, он при высыхании принимает камнеобразное состояние и не имеет существенных отличий по своему составу и физико- химическим свойствам от обычного цемента.
ПДК в воздухе (согласно ГОСТ 12.1.005-88): 6 мг/м3 Существуют следующие виды портландцемента:
· быстро твердеющий;
· нормальнотвердеющий;
· пластифицированный;
· гидрофобный;
· сульфатостойкий;
· дорожный;
· белый ицветной;
· с умеренной экзотермией;
· с поверхностно активными органическими добавками.
Твердение портландцемента
Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые вводе.
Процесс гидролиза и гидратации трехкальциевого силиката выражается уравнением:
2 (ЗСаО*SiO2) + 6Н2О = 3CaO*2SiO *3H20 + ЗСа(ОН)2
В результате образуется практически нерастворимый в воде гидросиликат кальция и гидроксид кальция, который частично растворим в воде.
Двухкальциевый силикат гидратируется медленнее C3S и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2, что видно из уравнения реакции:
2 (2СаО *SiO2) + 4Н2О = ЗСаО -2SiO2 -ЗН2О + Са(ОН)2
Молярное соотношение СаО :SiO2 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин C-S-H для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов. Образование низкоосновных гидросиликатов кальция повышает прочность цементного камня; при возникновении высокоосновных гидросиликатов его прочность меньше. При определенных условиях, например при автоклавной обработке, образуется тоберморит5CaO-6SiO2-5H2O, характеризующийся хорошо оформленными кристаллами, которые упрочняют цементный камень.
Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:
ЗСаО-А12О3 + 6Н2О = ЗСаО*А12О3*6Н2О
Реакция протекает с большой скоростью. Образующийся шестиводныйтрехкальциевый алюминат создает непрочную рыхлую кристаллизационную структуру и вызывает быстрое снижение пластических свойств цементного теста.
Замедления сроков схватывания портландцемента достигают введением при помоле небольшой добавки двуводного гипса. В результате химического взаимодействия трехкальциевого гидроалюмината с введенным гипсом и водой образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) по схеме: