Влияние физико-механических и химико-технологических свойств сухих компонентов смесей на качественные показатели готовой продукции и критерии оценки ее качества

Сухие строительные смеси (ССС) несмотря на сложный состав, но благодаря точному дозированию компонентов и эффективному смешиванию в смесителях, имеют гарантированные физико-механические и другие технические характеристики.

Используемые при производстве сухих смесей материалы весьма разнообразны по номенклатуре и свойствам. Каждый из них сообщает определенные свойства готовым сухим смесям и строительным растворам, изготавливаемым на их основе [16,54,58]. Основные группы этих материалов [6,54] представлены в таблице 1.1.

Как правило, в производстве сухих смесей используют исходные компоненты в порошкообразном состоянии различной дисперсности. Перечисленные виды материалов имеют ряд общих характеристик, одинаково важных для всех материалов, и ряд специфических свойств, которые позволяют оценить возможность их применения для определенных целей.

Таблица 1.1

Исходные компоненты для производства ССС

Способность материалов реагировать на воздействие звука, гравитации, влажности, теплоты, излучения и других факторов определяется их физическими свойствами [42,54,58].

Важнейшими параметрами физического состояния сыпучего материала являются плотность, удельная поверхность, пористость и пустотность, гигроскопичность, влажность, водостойкость [6,34,42,58,90,110].

Истинная плотность вещества является постоянной величиной и зависит от изменения химического состава материала или молекулярной структуры. Средняя плотность зависит от структуры и влажности и существенно влияет на механическую прочность материала, водопоглощение, теплопроводность и т.д. Насыпная плотность является переменным свойством материала даже в условиях хранения и зависит от гранулометрического состава материала, его средней плотности, влажности и т.д.

Величина пористости, в большей мере, влияет на прочность материала. Чем больше пор в объеме строительной конструкции, тем хуже она сопротивляется механическим, тепловым, усадочным и другим нагрузкам. Данные экспериментов показывают, что с увеличением пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно. Прочности также зависит от размеров пор, и возрастает с их уменьшением. Прочность будет выше у материалов с закрытой пористостью, а

также, мелкопористых материалов, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью. Характер пор говорит о способности материала поглощать воду [16,19,49,54,58].

Гидрофизические свойства связаны с воздействием на материал воды. К ним относятся гигроскопичность, водопоглощение, влажность, влагоотдача.

Свойство поглощать влагу из воздуха пористо-капиллярным материалом называется гигроскопичностью. Степень поглощения зависит в данном случае от относительной влажности воздуха и температуры. При снижении температуры и с увеличением относительной влажности воздуха гигроскопичность повышается. Она характеризуется отношением массы поглощенной материалом влаги при относительной влажности воздуха 100% и температуре +20°С к масс сухого материала. Гигроскопичность отрицательно влияет на качество материалов, так как это напрямую сказывается на его прочности.

Свойство материалов при непосредственных контактах его с водой впитывать и удерживать ее в своих порах называется водопоглощением и выражается степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение по объему) или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощение по массе).

Одним из важных свойств компонентов, используемых при получении сухих смесей является влажность (отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе материала в сухом состоянии), так как при применении компонентов с повышенной влажностью, превышающей заданные нормы на производство сухих строительных смесей, получают готовый продукт с ограниченным сроком годности. Этот параметр обязательно контролируется заводской лабораторией при поступлении исходного материала.

Чтобы правильно оценить влияние компонентов, используемых при изготовлении сухих строительных смесей, на свойства растворов, получаемых из этих смесей после затворения их водой и отвердения, необходимо учитывать и

знать физико-химические свойства этих материалов [6,36,38,42,54,58]. Они выражают степень активности смеси к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и способность сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды.

Следует учитывать, что ряд исходных материалов для приготовления сухих строительных смесей проявляет активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, водой, растворами солей и т.д. и физико-химические превращения могут протекать уже при технологических процессах производства сухих смесей. Поэтому необходимо учитывать такие свойства материалов как химическая стойкость (свойство материалов противостоять разрушающему воздействию химических реагентов), а именно кислото-, щелочестойкость и газостойкость (свойства материалов не разрушаться под воздействием кислот, щелочей и газов из окружающей среды). Кислоты и щелочи довольно агрессивны к большинству материалов, используемых при производстве сухих смесей таких, как цемент, известь, наполнители, пигменты. Нещелочестойкие пигменты в шпаклевках и красках быстро обесцвечиваются [6,42,54,58].

Особо важными физико-химическими свойствами материалов для сухих смесей являются дисперсность, гидрофильность и гидрофобность.

Большое количество материалов для приготовления сухих смесей (цемент, гипсовые вяжущие, пигменты) находится в дисперсном состоянии, которое характеризуется тонкостью помола, т.е. размером твердых частиц материала. Такое состояние определяется суммарной поверхностью частиц или удельной поверхностью, отнесенной к единице объема (см²/см³ или см^-1) или массы материла. С увеличением удельной поверхности материалов возрастает их внутренняя энергия и химическая активность. Например, цемент обычного помола при удельной поверхности примерно 3000 см²/г химически связывает за двое суток твердения 10-13% воды, а очень тонкого помола при удельной поверхности примерно 5000 см²/г - 16-18% воды. Такой цемент быстро твердеет и обладает высокой прочностью [36,42,54,58,102].

Для придания гидрофобности (свойство материалов не смачиваться водой) гидрофильных материалам (хорошо смачиваемых водой) их поверхность обрабатывают специальными гидрофобными веществами. В технологии строительных материалов примером использования принципа гидрофобизации является создание гидрофобных цементов, которые долго хранятся без комкования и потери прочности от соприкосновения с влагой воздуха.

Не менее важно учитывать свойства, характеризующие восприимчивость материала к выполнению операций с целью изменения размеров частиц и качества поверхности. Такие свойства называются технологическими. К таким свойствам относят диспергируемость материала (свойство пигмента измельчаться и распыляться в дисперсионной среде под влиянием механического воздействия) при приготовлении сухих смесей и строительных растворов их этих смесей и равномерность распределения материалов в составах сухих смесей [42,54,56,58,98,112].

Для сухих материалов также важно учитывать свойства текучести и адгезии.

Свойство текучести сухих материалов характеризуется их способностью вытекать с определенной скоростью из дозирующих устройств.

Адгезией сухих сыпучих материалов называется их способность прилипать к твердым поверхностям (подложкам). Это свойство необходимо учитывать при проектировании, конструировании, изготовлении и эксплуатации смесительного оборудования, оборудования для хранения сыпучих материалов, транспортирующего оборудования, так как адгезия в данном случае является вредным свойством.

Качество сухих строительных смесей для большинства растворов должны соответствовать требованиям ГОСТ 28013-98 «Растворы строительные. Общие

технические условия» [39] и СП 82-101-98 «Приготовление и применение растворов строительных» [99].

Показатели качества сухих строительных смесей разделяют на три категории (табл. 1.2):

1. для сухих смесей до их разведения водой;

2. для смесей, готовых к применению, т.е. затворенных водой и перемешанных до однородной массы;

3. для затвердевших растворов и бетонов, где под растворами понимаются затвердевшие растворные и дисперсные смеси, для которых наибольшая крупность зерен заполнителя не превышает 5 мм, а под бетонами - бетонные смеси с наибольшей крупностью зерен заполнителя не выше 20 мм.

Таблица 1.2.

Показатели качества сухих строительных смесей

Помимо этой классификации также существует разделение показателей качества на основные и применяемые при необходимости, что зависит от области применения конкретной смеси или ее вида. В дополнение к показателям качества

самих смесей существуют также показатели качества на их составляющие: цемент, песок, добавки и др.

В результате процесса смешивания в смесительном барабане осуществляется взаимное перераспределение частиц различных материалов, находящихся до смешивания отдельно или в совокупном хаотичном состоянии.

• методы смешивания (пересыпание, перелопачивание, наслаивание компонентов, смешивание компонентов в «кипящем» слое и т.д.);

• конструктивные и технологические особенности смесителей и их режимы работы (степень заполнения смесительного барабана, скорость и характер циркуляции материала внутри смесительной камеры, конструкция, скорость и частота вращения смесительного органа);

• физико-механические свойства компонентов смеси (соотношение компонентов, их гранулометрический состав, объемная масса и насыпная плотность, коэффициент внутреннего трения и т.д.).

В смешиваемом объеме материала возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения компонентов смешиваемых материалов и в этих условиях соотношение компонентов в произвольных точках объема смеси является случайной величиной, поэтому большинство современных методов оценки качества основываются на методах статистического анализа.

Наиболее часто за основу критерия оценки качества готовой смеси принимают величину среднего квадратического отклонения Sсодержания ключевого компонента в пробах смеси [5,11,65,77]:

где х_i- значение случайной величины X в і — о м опыте (содержание ключевого компонента в і — о й пробе);

т - среднее арифметическое наблюдаемых значений величины X (среднее арифметическое содержание ключевого компонента во всех пробах);

п - общее число отобранных проб.

Наибольшее распространение в качестве критерия оценки качества смешивания сухих смесей получил коэффициент неоднородности (вариации) V_c, равный:

Но не всегда при анализе смеси определяют число частиц ключевого компонента в пробе. Практически значительно проще определить его концентрацию c_iв них. Поэтому формулу (1.1) можно записать следующим образом:

Тогда величину коэффициента неоднородности можно записать как:

где- среднее арифметическое значение концентрации ключевого компонента в пробах, %;

c_i- значение концентрации ключевого компонента в i- той пробе;

п - число проанализированных проб.

Качество сухих смесей в зависимости от их назначения также оценивается прочностными показателями затвердевшего раствора, такими как: прочность на сжатие п_сж, прочность на растяжение при изгибе σ_p, прочность сцепления с основанием сг_сц, прочность на отрыв клеевых соединений σ₀и т.д. Прочностные показатели определяются по определенным методикам [33,39].

1.2.