Возникновение и кристаллизация цементирующих новообразований, приводящих к твердению исходной сырьевой смеси, протекают через раствор, что обусловливает необходимость применения гидротермальной обработки.


Следует, что концентрация возникших новообразований за определенный период времени определяется: вероятностью возникновения зародышей новой фазы и линейной скоростью роста кристаллов.


Вероятность возникновения зародышей новой фазы определяется концентрацией анионов и катионов реагирующих веществ в единице объема, температурой реакции, термодинамическими характеристиками возникающего зародыша новой фазы и растворимостью зародыша критических размеров.


При этом процесс зародышеобразования значительно облегчается при наличии границ раздела фаз, так как уменьшается разность мажфазовой энергии. В этом случае потенциальный энергетический барьер, который необходимо преодолеть, значительно уменьшится и тем значительней, чем больше таких границ и чем ближе они по своим кристаллографическим параметрам к материалу возникающей новой фазы. Этим объясняется интенсификация процессов твердения силикатных материалов при введении кристаллических затравок.


Поскольку процессы зародышеобразования и роста кристаллов при заданной температуре определяются пересыщением системы и концентрацией ионов реагирующих веществ, представляется целесообразным рассмотреть растворимость компонентов системы СаО — - Si02 - Н2О с целью выявления лимитирующей стадии и определения основных направлений ускорения указанных выше процессов.


Исследования по определению растворимости Са(ОН)2 в зависимости от температуры и размера кристаллов позволили установить, что с увеличением температуры растворимость Са(ОН)« снижается с 1,3 г/л при t = 0°С до 0,037 г/л при 2&0°С. Влияние дисперсности кристаллов сказывается в значительно меньшей мере — с уменьшением размера кристаллов до 10-1 мкм растворимость их по сравнению с бесконечно большими кристаллами возрастает всего лишь на 0,3-3,2%. Что же касается растворимости песка, то она ничтожно мала — 0,006 г/л при t = 25°С и возрастает до 0,43 г/л при t = 200°С. Повышение дисперсности, достигаемое при помоле, также увеличивает растворимость песка. В частности, увеличение дисперсности (удельной поверхности) песка до 300 м2/кг приводит к повышению растворимости при t = 25°С до 0,04 г/л и до 0,7 г/л при t = 174,5°С. Существенно влияет на растворимость песка рН среды. Увеличение последней от 7 до 10,5 и выше приводит к повышению растворимости песка при t = 25°С на порядок, а при t = 250°С в 5-7 раз. При высоком содержании щелочей - до 10% Na20, растворимость Si02 возрастает до 20 раз. Низкая растворимость песка в нормальных условиях исключает его взаимодействие с известью в технически приемлемые сроки.


В этой связи лимитирующей стадией процессов зародышеобразования и роста кристаллов новой фазы является растворимость кремнеземистого компонента, определяющая интенсивность процессов структурообра-зования и динамику роста прочности силикатного камня.


Для интенсификации процессов структурообразова-ния, с целью получения высокопрочного силикатного камня в технически приемлемые сроки, технология силикатных материалов в качестве основных технологических переделов включает помол песка и гидротермальное твердение при повышенной температуре паровоздушной среды в специальных сосудах-автоклавах.


Под структурой силикатного камня понимается совокупность особенностей строения твердой фазы силикатных материалов, обусловленная размерами, формой, пространственным расположением и взаимодействием отдельных твердых составляющих.


Структура силикатного камня является важнейшим диагностическим и классификационным признаком, определяющим наряду со структурой порового пространства физико-механические свойства и эксплуатационные показатели силикатных материалов.


Качество структурного силикатного камня тесно связано с технологическими параметрами производства, обусловливающими механизм и кинетику гидротермальных реакций формирования структуры цементирующих новообразований.


В зависимости от фазового и морфологического состава синтезируемых новообразований величина Rq-B> имеет значения: при использовании известково-песчаного вяжущего 40-60 МПа, для смешанного вяжущего, содержащего 10% портландцемента, 35-50 МПа.


Валовое содержание цементирующего вещества по отношению к объему непрореагировавшего песка может быть принято за характеристику вида цементации силикатного камня. В связи с чем, аналогично классификации типов структур обломочных осадочных пород, для которых характерно наличие кристаллического материала и связующего "цемента", структура силикатного камня может быть представлена и охарактеризована одним из трех видов цементации - контактной, поровой и базальтной.


На основе приведенной зависимости представляется возможным определить значения показателя цементации - пц, при которых обеспечивается получение материалов и изделий с гарантированной трещиностойкостью.


Прочностные и деформативные показатели силикатных материалов, а также их стойкость к воздействию внешних агрессивных факторов - воды, мороза, углекислого газа, воздуха и высоких температур, во многом зависит от фазового и морфологического состава синтезируемых в гидротермальных условиях цементирующих новообразований.


Из более чем 20 синтезированных в настоящее время гидросиликатов кальция наиболее важное практическое значение имеют гидрат jC-C2S, CSH(I), CSH(II) тоберморит 1,13 нм и в силикатных материалах специального назначения ксонотлит.


Вместе с этим надо помнить, что большинство из указанных фаз являются промежуточными, а получение в промышленных условиях силикатных строительных материалов с мономинеральной структурой цементирующего вещества практически невозможно, В реальных силикатных системах мы сталкиваемся с полиминеральным фазовым составом цементующих новообразований. В связи с этим заключение о рациональной структуре, как правило, содержит рекомендации по качественному и количественному соотношению гидросиликатных фаз. С учетом данных о свойствах гидросиликатов кальция можно установить рациональное соотношение фаз, обеспечивающее получение силикатного камня высокой прочности и эксплуатационной стойкости.


Например, прочность на сжатие и растяжение мономинеральных агрегатов тоберморита в связи с высокой его закристаллизованностью и особенностью морфологии ниже прочности мономинеральных агрегатов CSH(I). Вместе с тем волокнистые и игольчатые гидросиликаты CSH(I) очень чувствительны к изменению влажности окружающей среды, что проявляется в обратимом поглощении ими межслоевой воды, а также подвержены агрессивному воздействию углекислого газа. Именно этим объясняется пониженная воздухостой-кость и значительные деформации усадки (влажност-ной и карбонизационной) силикатных материалов, цементирующее вещество которых представлено гидросиликатами CSH(I). Тоберморит, в свою очередь, лишен этих недостатков и к тому же обладает высокой карбонизационной стойкостью. В связи с этим, цементирующее вещество, представленное на 60-80% своего объема гидросиликатами CSH(I) основностью C/S = 0,8-1 и на 30-40% тоберморитом, позволяет получить силикатный камень и соответственно материалы с высокими показателями физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости даже в средах с повышенной влажностью (Р/Ро > 75%) и длительной стойкостью к углекислой агрессии. Указанный состав является оптимальным для силикатных ячеистых бетонов.


Высокоосновные гидросиликаты o(-C2SH, синтезируемые главным образом при пониженных температурах и давлениях автоклавной обработки, ввиду своей невысокой прочности (см. табл. 3) не позволяют получить достаточно прочный силикатный камень. В то же время силикатные материалы, цементирующее вещество которых представлено на 70-80% низкоосновными гидросиликатами CSH(I) и на 20-30% гидросиликатами oC-C2SH, имеют удовлетворительные прочностные показатели и карбонизационную стойкость. Связано последнее с упрочнением ot-C2SH в процессе карбонизации, частично или полностью компенсирующим снижение прочности CSH(I) при их разложении углекислым газом воздуха.


Таким образом, для получения силикатного камня с высокими физико-механическими показателями и эксплуатационной стойкостью необходимо обеспечить синтез цементирующих новообразований, представленных в основной своей массе (на 60-70%) низкоосновными гидросиликатами кальция типа CSH(I) и тоберморитом 11,3 нм.


Перспективным направлением может явиться применение силикатных автоклавных материалов в качестве жаростойких конструкционных и теплоизоляционных материалов. В этой связи представляет интерес вопрос термостабильности гидросиликатов кальция. Тоберморит 1,13 нм при 300°С превращается в модификацию 1 нм, а при температуре 650°С переходит в волластонит с разрушением кристаллической решетки.


Ксонотлит стабилен до t =700°С, выше которой начинается его превращение в волластонит. Однако переход ксонотлита в волластонит практически не сопровождается сжатием кристаллической решетки. Поэтому материалы, в которых связующим являются гидросиликаты ксонотлита, могут применяться при температурах до 1000°С, определяемой устойчивостью волла-стонита.