Технологические принципы получения материалов с заданными свойствами

Существует большое количество технологий производства искусственных строительных материалов. Однако при таком их многообразии имеются общие принципиальные положения, являющиеся основой при выборе технологического процесса производства материалов с заданными свойствами.

Одним из главных положений, формирующих современную технологию производства строительных материалов, является то, что эта технология является преимущественно химической. Исходя из этого положения для выбора и обоснования технологических принципов получения материалов с заданными свойствами необходимо знать:

  • ? состав и структуру веществ, из которых состоят исходные материалы, особенности их межмолекулярных связей;
  • ? закономерности химических реакций и физико-химических процессов (растворение, кристаллизация, смачивание, адсорбция, адгезия);
  • ? особенности взаимодействия дисперсных коллоидных частиц и т.п.

Принципы, формирующие современные технологии искусственных строительных материалов, излагаются в таких фундаментальных науках, как физика и механика. Проектируя тот или иной технологический процесс переработки исходного сырья, необходимо знать основные законы этих дисциплин, определяющие особенности реологических свойств материалов, тепломассообменные процессы, протекающие во время их производства.

Поясняя это положение, можно отметить, что все технологические процессы протекают при различных вариациях давлений и температур. Например, исходя из нормальных температуры Тн и давления Рн можно получить различные варианты их сочетания: Р > РниТ > Тн, Р > РниТ = Тн, Р = РниТ > Тни т.д. Поэтому законы термодинамики широко используются в технологии строительных материалов.

Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение закона сохранения энергии, из которого следует, что переданное системе количество теплоты Q расходуется только на увеличение внутренней энергии АС/ и совершение работы А:

Второй закон термодинамики утверждает, что все процессы в материалах протекают в направлении от менее вероятного состояния (неустойчивого) к более вероятному (равновесному). Для каждой комбинации внешних условий характерно свое равновесное состояние, которое восстанавливается при его нарушении.

Первый закон термодинамики позволяет проводить теплотехнические расчеты технологических процессов. Второй закон определяет направление самопроизвольно идущих процессов в материалах и пределы их протекания.

Общей особенностью технологических процессов является то, что большинство из них развивается по закономерностям цепных реакций, т.е. с развитием этих процессов их скорость возрастает или затухает. Такие закономерности в ряде случаев можно описать зависимостью

где у — переменная, характеризующая, например, количественно процесс смешения, степень растворения, уплотнения и т.д.; dy/dt — скорость изменения этой переменной во времени; k — коэффициент. Если т = 1, то функция принимает вид экспоненты.

При проектировании технологии материалов очень часто используют закон тепломассообменных процессов, которые описываются дифференциальным уравнением

где Т — температура; t — время; а — коэффициент температуропроводности материала — оператор Лапласа

Существуют приемы, которые позволяют управлять сложными процессами структурообразования и получать материалы с оптимальными свойствами. Их условно разделяют на три группы: механические, физические и химические.

Одним из распространенных механических приемов управления структурообразованием материалов является вибрация. Она широко используется, например, в процессах перемешивания и уплотнения бетонных смесей. При вибрационном воздействии структура бетонных смесей разрушается, при этом резко снижается их вязкость и они приобретают свойства жидкости, что облегчает перемешивание, уплотнение и получение изделий заданной плотности. Вибрация применяется и в других видах механической обработки материалов (она облегчает резание, точение, сверление, уменьшает трение И т.д.).

Для каждого конкретного случая применения вибрации устанавливают оптимальные величины частоты и амплитуды колебаний, а также момент ее приложения и продолжительность воздействия.

К наиболее значимым физическим приемам, применимым в технологии материалов, можно отнести регулирование температурного воздействия и методы активации исходных компонентов. Правильное назначение температурных режимов позволяет управлять скоростью физических и химических реакций и процессов, протекающих в материалах (разжижение битумов и удаление из них воды, обжиг кирпича, сушка древесины, твердение минеральных вяжущих и др.). Активация твердых и жидких компонентов для получения композиционных материалов (асфальто- и цементобетонов) способствует усилению адгезии между этими компонентами, т.е. созданию прочных химических связей между ними.

К перспективным физическим методам обработки исходных материалов следует отнести использование ультразвукового, магнитного, электромагнитного, электрогидравли- ческого и трибоэлектрического воздействия. Их применение интенсифицирует процессы структурообразования и улучшает качество материалов.

К наиболее устоявшимся химическим технологическим приемам относится применение различных добавок и поверхностно-активных веществ.

Добавки как средство регулирования свойств материалов химическим путем известны давно, но широкое применение они получили лишь в последнее время (особенно для получения цементобетонов). Введение добавок (пластифицирующих, гидрофобных, воздухововлекающих и др.) позволяет влиять на технологические параметры строительных материалов, замедлять или ускорять процессы, протекающие в них, улучшать их свойства, обеспечивать в ряде случаев производительность перемешивания и уплотнения смесей.

Минеральные добавки играют роль центров кристаллизации, служат катализаторами, ингибиторами или стабилизаторами в процессах структурообразования материалов. Например, в цементы вводят добавки с активным кремнеземом Si02, с гидрооксидом кальция Са(ОН)2, в результате чего образуются нерастворимые вещества, упрочняющие структуру бетона.

Значительное распространение получили и полимерные добавки. Например, при использовании водорастворимых полимеров бетонная смесь пластифицируется, что облегчает формование изделий; затем эти добавки полимеризуются и образуют прочную сетчатую структуру, что способствует упрочнению бетона.

В настоящее время при производстве различных строительных материалов стали широко применять поверхностноактивные вещества (ПАВ). Эффект их применения заключается в том, что их молекулы, адсорбируясь на поверхности зерен материалов, уменьшают поверхностную энергию на границах раздела твердое тело — жидкость (газ).

Подбирая ПАВ для целенаправленного изменения поверхностной энергии материалов, можно:

  • ? получать устойчивые эмульсии или, наоборот, добиваться быстрого их распада при контакте с минеральными материалами;
  • ? пластифицировать бетонные смеси;
  • ? регулировать содержание газообразной фазы в материалах;
  • ? существенно снижать затраты энергии на дробление и измельчение материалов, поскольку ПАВ обусловливают адсорбционное понижение их прочности (эффект П.А. Ребиндера).

Наряду с ПАВ, в технологии производства материалов используют также добавки-электролиты, которые могут ускорять или замедлять процессы растворения веществ, изменять свойства жидкой фазы. При этом изменяются растяжимость, температура размягчения, хрупкость и другие свойства материалов.

Одним из основных принципов технологических процессов производства материалов высокого качества является комплексность использования физических, механических и химических методов воздействия на исходное сырье и материал.

Эффект комплексного воздействия указанных методов широко используется в технологии материалов и материаловедении. Его значимость настолько велика, что именно благодаря ему учение о превращении исходного сырья в материал с заданными свойствами получило название физико-химической механики материалов и стало основой всех прогрессивных технологий строительных материалов.

Технологию получения строительных материалов максимально механизируют и автоматизируют, при этом особое внимание уделяют оптимизации технологических процессов на основе применения ЭВМ.

Следует подчеркнуть, что современная технология строительных материалов обязательно учитывает меры по энергосбережению и требования промышленной экологии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >