автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Технология создания защитно-декоративного покрытия на бетонных изделиях с помощью низкотемпературной плазмы

На правах рукописи

РГб од

2 ? ЛИВ 1337

{ Куликова Галина Адагшовна

р

ТЕХНОЛОГ! 31 СОЗДАНИЯ ЗАЩЦПЮ-ДЕКОРАТНЕНОГО ПОКРЫЛИ НА ЕЕТШПШ 1ВДЕЛЙЯХ С ПО?ДЩ>Я ШЭКОТТМЕРАТУР1ЮЙ ПЛАЗШ

05.17.11 - Технология нераштесник, ожттатныж и тугвплавши иеиеталлршсши материален

АВТОРЕФЕРАТ дкссертаирш на соясианне ученой степени каидзедата тежническиж наук

Таиск-1995

Работа выполнена на кафедре "Прикладная механика" в Томской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель - докторант, кандидат технических наук

Скрнпшашва U.K.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Волвдптзш Г.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Косинцея В. И.

директор TOD НПП "КЕРАШСЭТ", кандидат технических наук Розанов £.11.

Ведущая организация - АО "Хнмотрой", г. Тоисн

Защита диссертации состоится "14" января 1Э97 г. в 15 часов в аудитории 117а на заседании диссертационного совета К ОБЗ.80.11 при Томском политехническом университете но адресу: 634004, Томск, пр. Ленина, 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТПУ.

Автореферат разослан "13" декабря 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета K 063.80.ll, кавд. техн. наук

Т.С.Петровская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований, направленных нз решение научно-технической проблемы создания и внедрения в практику технологических процессов обработки бетонных изделий на основе использования энергии низкотемпературной плазмы, обусловлена:

отсутствием достоверных научных результатов по обеспечению условий долговременной совместимости вновь образуемого в процессе плазменной обработки стекловидного покрытия и материала подложки;

отсутствием теоретических и экспериментальных предпосылок для разработки технологических процессов плазшровзния Оолыпераэ-мерных бетонных изделий (панелей, блоков и т.п.).

Об актуальности выполненных исследований свидетельствует включение данной тематики в пйаны научно-исследовательских работ отдела плазменных и электроимпудьсных технологий научно-исследовательского института строительных материалов при Томской государственной архитектурно-строительной академии (НИИ СМ при ТГАСА), а также в планы работ комплексной научно-технической программы "Сибирь" (проблема "Новые материалы и технологии", N Государственной регистрации 81020080), в межвузовскую научно-техническую программу "Архитектура и строительство".

Результаты исследований использовались при выполнении хозяйственных договоров Ш 866, 0390, 0790, 3690, 1790, 1691, 2291, 0691, 0191, 504, 2491, связанных с созданием и внедрением технологии плазменной обработки бетонных и золошлакоблочных изделий. Цель» ксйлодованкй явились:

создание технологии получения качественных защитно-декоративных -покрытий на бетонных и золошлакоблочных изделиях с помощью низкотемпературной плазмы в промышленных условиях;

разработка научно обоснованных и выдача практических рекомендаций по созданию защитно-декоративных покрытий с заданными свойствами на основании изучения физико-химических процессов, протекающих на поверхности бетонных изделий при воздействии на них. низкотемпературной плазмой и исследования влияния минералогического и гранулометрического состава-бетона на качество стекловидного покрытия.

Народно-доаяйетветшй эффект решаемой проблемы состоит а создании плазменных технологий производства строительных бетонных изделий с высокохудожественной и архитектурной выразительностью, позволяющих резко сократить потребность в дорогостоящих облицо-

ночных материалах и высококачественных красителях, снизить анер-го- и трудозатраты и использовать отходы промышленности. Кроме того, данный способ отделки безвреден с экологической точки зрения.

Научная новизна работа представлена следующими основными результатами:

установлен механизм фазооОразования в "переходном" слое, определена последовательность протекания процесса стеклообрззова-ния при взаимодействии высококонцентрированных потоков плазмы о поверхностью фактурного слоя бетонных изделий (стеклообраэование является плаэмохимнчеоким процессом, имеющим неравновесный к локальный характер; реакции разложения гидросиликатов протекают по топотактическому механизму с сохранением кристаллической решетки; процессы дегидратации, силикатообразования, гомогенизации и образования стеклофазы протекают практически одновременно);

на основе теоретических и экспериментальных исследований установлены оптимальные технологические режимы качественной обработки поверхности бетонных изделий - мощность плазменного генератора 56___75 кВт, скорость обработки 0,10...0,14 м/с, время воздействия 1с, величина плотности теплового потока 1,S'ID6... ...2,5-Ю6 Вт/мг;

определены минералогические и гранулометрические составы, способы формирования фактурных слоев бетонных изделий, обеспечивающие снижение распространения тепловых потоков вглубь изделия и, как следствие, повышенную адгезионную прочность покрытия.

На зацсту згдюаятся технологические аспекты формирования фактурного слоя бетонных изделий с последующей обработкой их■ поверхности потоками низкотемпературной плазмы, в основе которых лежат следующие положения:

1) принципы получения высококачественного покрытия на бетонах за счет изменения состава поверхностного слоя введением заполнителей с низкой теплопроводностью различными технологическими приемами;

2). при обработке бетонных изделий по критерию максимума производительности, минимума энергозатрат и максимального качества образованных стекловидных покрытий целесообразно поддержание следующего режима работы плазменного генератора - напряжение 180... 200 В, сила тока 200.. .400 А - при скорости обработки 0,10...0,14 м/с;

3) совокупность научных положений и закономерностей, необхо-имых для решения вопроса по организации технологии плазменной бработки бетонных изделий.

Практическая ценность работы состоит в разработке инженерных етодов проектирования технологии подготовки и плаамирования бе-онных изделий;

разработана технология изготовления декоративных бетонных зделий, исключающая последующую механическую обработку форы и беспечиващая высокое качество поверхностей готовых изделий (па-ент России N 1720214);

полученные результаты исследований используются а курсе Плазменные технологии в сгройиндустрии", изучаемом студентами омской государственной архитектурно-строительной академии.

Достоверность основные положений н ншшдов гарантирована необходимым набором статистики и использованием'современных методов -асчета и надежных измерительных приборов.

Иетодология работы основана на использовании и развитии тео--етических положений в области взаимодействия плазменных потоков : твердым телом, разработанных научной школой академика РАН Жуко-а Н.Ф., и га обобщением на случай строительных материалов и из-;елий. Исходные материалы и готовые изделия исследовались с по-ющыо современного лабораторного оборудования (электронный мик-(оскоп РЕМ-200, рентгеновский дифрактометр ДРОН-ЗМ и др. )• •

Реализация в промышленности. На основе результатов дкссерта-зюнных исследований разработаны технологическая карта, регламент : технические условия. Специализированная установка и технология щгоговки и оплавления большеразмерных бетонных изделий (наружных стеновых панелей) реализована на комбинате железобетонных из-;елий (КЖБИ-2) АО "Химстрой" г. Томска.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме, сшедшие в диссертационный материал, опубликованы в научных тру-;ах [1-11].

Диссертационный материал докладывался и обсуждался на: Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материаловедения ! новые технологии" (Белгород, 1991); Республиканской научно-тех-мческой конференции "Совершенствование существующих и , создание ювых ресурсосберегающих технологий и оборудования в машиностроительном и сварочном производстве и строительстве" (Могилев, .991); Международной научно-технической конференции "Экологичес-

raie проблемы крупного промышленного центра" (Новокузнецк, 1995) 53-Й научно-технической конференции профессорско-лреподаватедь ского состава с участием представителей строительных,' проектных научно-исследовательских организаций в Новосибирской государст венной академии строительства (Новосибирск, 1996); Всероссийско научно-технической конференции "Создание защитных и улрочнящи покрытий с использованием концентрированных потоков энергии (Барнаул, 1996).

Образцы бетонных изделий с защитно-декоративным -покрытием выполненным по плазменной технологии, были удостоены диплома бронзовой медали на 44-й Всемирной выставке изобретательских, на учно-исследователь ских и промышленных достижений (Брюссель 1995).

Структура и объем диссертации. По своей структуре диссерта ция состоит из введения, пяти глав, освещающих результаты после дований, основных выводов и списка использованных литературны источников. К диссертации прилагается акт внедрения технологичес кого процесса плазменной обработки бетонных изделий в произволе тво, подтверждающий практическую ценность выполненной работы технологические карты на производство бетонных панелей и зашила коблоков с защитно-декоративным покрытием.

Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, со держит, 35 рисунков, 31 таблицу, 114 наименований использовании источников, 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирован цель и научная новизна работы, ее практическая значимость, приве дены сведения о ее айробации.

. В первой главе проведен•анализ существующих методов декори рования строительных изделий, имеющих как достоинства, так и не достатки, с использованием традиционных и ультрасовременных тех нологических приемов, технических средств и материалов. Ыногк методы декорирования силикатных материалов не получили пмроког развития из-зз сложности технологии подготовки сырья, способа не несения или использования токсичных и дорогостоящих материалов.

Получение качественно новых" защитно-декоративных докрыт* свяэано с необходимостью создания новых технологических методе

декорирования. Определено, что одним из эффективных и перспективных способов термодекорирования является плазменная обработка, при которой процесс образования расплава на поверхности бетонных изделий носит неравновесный и локальный характер и является малоизученным.

Использование низкотемпературной плазмы как источника термодекорирования открывает новые возможности технологического характера в отделке строительных изделий и позволяет -значительно интенсифицировать технологические процессы по созданию качественно новых отделочных материалов. Такие свойства низкотемпературной плазмы, как высокая температура и большая концентрация энергии в малом объеме, способствуют протекании плазмохимических процессов при температурах 2-1С3...20'103 °С, времени контакта реагирующих веществ 1... 1 * Ю-5 с. Интерес к плазменной технологии обусловлен еще и тем, что при высоких температурах можно осуществлять процессы, которые в обычных условиях не протекают. Это позволяет получать материалы с принципиально новыми физико-химическими, физико-механическими характеристиками и защитно-декоративными качествами.

Благодаря приведенному литературному обзору, можно сделать вывод, что плазменная технология - относительно новая технология, и физико-химические процессы, протекающие при плазменной обработке, сложны и практически не изучены. Бри современном состоянии понимания процесса новые знания в данном направлении можно получить путем теоретического и экспериментального изучения, а для промышленного внедрения необходимо провести комплекс -исследований по выявлению оптимальных режимов обработки и создать технологию получения защитно-декоративных покрытий на бетонных изделиях с помощью низкотемпературной плазмы. *

В связи с этим необходимо решить следующие задачи:

1) определить последовательность протекания фиэино-химических процессов во времени и по глубине бетонного изделия под действием низкотемпературной плазш;

2) рассчитать оптимальную толщину покрытия по величине термических напряжений с целью рекомендации оптимальных режимов оплавления;

3) исследовать влияние минералогического и гранулометрического составов изделий на прочность сцепления и другие физико-механические свойства бетонных изделий и выбрать оптимальное соот-

}

ношение компонентов;

4) управление качеством защитно-декоративного покрытия регулированием понижения температуры образования расплава;

5) декорирование плазмой различных видов бетонных изделий ( помощью различных технологических приемов;

6) разработка технологии окрашивания стекловидных покрытий;

7) проведение промышленного опробования и испытания бетонны; изделий с защитно-декоративным покрытием; ■

8) внедрение плазменной обработки бетонных изделий на предприятиях стройиндустрии.

Вторая глава посвящена описанию методик проведения исследования физико-химических и физико-механических свойств бетонны; изделий с оплавленной стекловидной поверхностью. Объектом исследований являлись бетонные изделия различного состава (тяжелые бетоны, золо- и шакобетсны, керамзитсбегоны, газобетоны), изготовленные в лабораторных и заводских условиях. Даны характеристик! исходных материалов и описаны технологические приемы подготовки поверхностей и нанесения покрытий.

Хотя высококонцентрированные потоки плазмы, взаимодействуя с поверхностью бетонных изделий, обеспечивают протекание плазмохи-мических процессов, в результате которых образуется стекяовиднск покрытие, выполняющее защитную и декоративную функции при эксплуатации, ранее экспериментально было установлено, что для некоторых видов бетонов термическое воздействие является разрушающие фактором для гидратных соединений цементного камня поверхностногс слоя, в результате чего полученное стекловидное покрытие имеез неудовлетворительные адгезионные и декоративные свойства.

В связи с этим необходимо предотвратить распространение температурного поля вглубь по сечению, чтобы обеспечить меньшух деструкцию материала изделия и, как следствие, - более высокух прочность сцепления покрытия с основой и его долговечность. Этс достигается созданием термоаашитной зоны, реализующейся введение», в поверхностный слой, подвергаемый обработке плазмой, например, кварцсодержалщх компонентов, имеющих более низкую теплопроводность, чем основной материал изделия.

Практически это может быть достигнуто: во-первых, создание* в процессе формования фактурных отделочных слоев из отходов горнодобывающей, фарфоро-фаянсовой и стекольной промышленности; во-вторых, нанесением специальных паст на основе жидкого стекдг

1 поверхность готовах изделий, которые разрабатывались, исходя з соответствия коэффициентов термического расширения томпонентов экрытия и основы. Оба варианта не исключают возможности введения" эдных растворов солей металлов (кобальта, никеля, хрома, меди и р.) для расширения цветовой гаммы покрытия.

Вышеуказанные заполнители фактурных сдоев снижают температу-у образования расплава, определенные минералы, входящие в их астав, выполняют роль плавней по отношению к общей,массе и спо-эботвуют снижению температуры ликвидуса системы. Вследствие это-□ снижается вязкость расплава и обеспечивается более глубокое роникновение его в изделие, что создает армированный переходный лой, благодаря которому увеличивается прочность сцепления с особой.

Использовались следующие технологические приемы подготовки оверхности образцов к плазменной обработке:

1) создание фактурных слоев с низкой теплопроводностью в роцессе формования - для тяжелых бетонов;

2) нанесение пастовых составов на готовые изделия - для га-о-, керамэмтобетоков и золошлакоблоков.

Фактурный слой, подвергнутый плазменной обработке, должен твечать следующим требованиям:

обеспечивать защиту конструктивного бетона от перегрева в роцессе оплавления;

обеспечивать высокие прочность сцепления стекловидного по-рытия, сопротивление химическому воздействию агрессивных сред и орозостойкость как главные показатели долговечности;

обладать высокими декоративными качествами.

Для выполнения этих условий оптимальным является соотношение цемент : мелкий заполнитель" = 1,0 : 2,5 и водоцементное отноше-:ие (В/Ц) 0,55.

При формовании бетонных изделий "лицом вниз" в производ-¡твенных условиях формы смазывают эмульсолом. Воздействие низко-■емпературной плазмы на поверхность таких изделий приводит к раз-:ожению органических составляющих смазки, проникшей в поверхност-:ые поры, на углеродсодержащие соединения, которые образуют на :окрытии темные пятна с металлическим блеском. Для предотвращения •того явления и для стабилизации положения зерен заполнителя при ¡агрузке конструкционного бетона и его виброуплотнении разработа-[а следующая методика:

а

форму смазывали жидким стеклом, насыпали декоративный заполнитель фракцией 5...10 мм (дробленые стекло, гранит, диопсид и т.п.), подсушивали до стабилизации положения зерен;

укладывали в форму фактурный слой толщиной до 20 мм, на него конструктивный бетон;

после вибрирования и тепловлажностной обработки (ТВО) изделия подсушивали до остаточной влажности 10... 15 % и обрабатывали низкотемпературной плазмой.

Рассмотрено оборудование для обработки бетонных изделий низкотемпературной плазмой. Приведены' рабочие режимы плазмотрона.

Таблица 1

Рабочие режимы плазмотрона

Напряжение, В Сила тока, А Мощность, кВт Плотность теплового потока, ~ Вт/мл

200 1Е0 24 1,0-10б

180 200 36 1,5-106

140 400 56 . 2,0-10б

170 440 ■ 75' 2,5-10б

Технические характеристики плазменного генератора, используемого при проведении эксперимента: потребляемая мощность -60. ..80 кВт; шгаамообразувдий газ - азот, воздух; скорость перемещения катодного узла - 0,10...О,14 м/с; температура плазмы на выходе из генератора 3000...5000 °С.

Схема процесса плазменной обработки бетонных поверхностей приведена на рис. 1. .

В данной работе с целью изучения физико-химических процессов на поверхности бетонных изделий при обработке ж низкотемпературной плазмой и установления общих закономерностей образования стекловидного защитно-декоративного покрытия проведены исследования фазового состава основы и покрытия; прочности сцепления пок-"рытия с основой и факторов, влияющих на нее; химической стойкости по отношению к воде, кислоте и щелочи; пористости покрытия; зави-симосИя водопроницаемости стекловидного покрытия от.времени водо-насыщения; морозостойкости изделий с покрытием. При этом применялись стандартные и оригинальные методики, современное лабораторное оборудование.

Рис. 1. Принципиальная схема процесса плазменной

обработки бетонных-поверхностей: 1 - графитовый анод; 2 - катод; 3 - плазменный факел; 4 - обрабатываемое изделие; 5 - механизм вращения анода; 6 - направление перемещения катодного узла относительно анода

Б третьей глава представлены результаты проведенных исследований физико-химических процессов образования стекловидного покрытия при плазменной обработке бетонных изделий.

Ренгенофазовым анализом -установлен и дифференциально-термическим анализом подтвержден фазовый состав основы тя;*елого бетона, золошлакоблоков и газобетонных изделий.

Основа тяжелого бетона представлена в преобладании кварцем ■ БЮа М = 4,25; 3,30; 1,97; 1,54); гидратированным двухкальциевы силикатом - СаБНп (d = 2,60; 2,28; 2,23; 1,93); низкоосновным: -гидросиликатами кальция типа: СБН(В), тоберморита - СбБеНп, ксо-нотлита - СбЕбНп, гиролига - СгЭзНп, гиллебрандита - СгЗНп; гидроалюмосиликатами кальция - САБ'пНп (с! = 3,34; 2,69; 1,97); карбо натом кальция (кальцитом) - СаСОз (<3 = 2,32; 2,23).

Основа золошгакобетона представлена гидросиликаташ кальци тоберыориговой группы: С5Н(1) (с! = 3,07; 1,84); С5Н(2) (сЗ = 1,82) СгЭН (с! = 2,80; 1,83); СзЗНг (с! = 3,28; 2,89), а также гидроалю минатаыи кальция: СзАНб {с! = 1,65; 1,08), гиролитом (сЗ = 3,36 1,88), ксонотлитом (с! = 2,04; 1,71) и С^На (с! = 2,55; 1,70).

Основа газобетона представлена кварцем (с1 = 4,26; 3,34 2,45; 2,28); В-крисгобалитом (с! = 4,07; 2,86; 2,49); полевым: шпатами типа анортита, 'микрошшна (с! = 4,17; 3,75; 3,23; 2,92).

Рентгенограммы показывают, что до оплавления фактурный слой состоящий из отходов фарфорового производства и гранита на це ментной основе, представлен кварцем (ё = 4,26; 3,30; 1,98; 1,45 1,37); трехкальциевым гидросиликатом (с! = 2,75; 2,19; 1,99); гид роалшосиликатаыи кальция (с| =■■ 4,24; 2,73; 2,53;- 1,80); натриево кальциевым гидросипикзтом (с! = 2,33; 1,98); двухкальциевым гидро силикатом (д =3,37; 2,18); ксонотлитом (с! = = 3,08; 2,82); то берморитолодобяыми гидросшшкзтэш (сЗ = 3,03; 2,84; 1,82).

Переходный слой, который образуется при оплавлении межд стекловидным покрытием и основой фактурного слоя представлен час гично дегидратированными гидролюмосиликатами типа двухкальциевог алюмосиликата. Произошла частичная дегидратация тоберморитоподоб ных гидросиликатов (с1 = 3,03; 2,84;" 1,82). Наблюдаются волласто нитоподобные силикаты В-С5 (с! = 2,46; 2,28), которые образование при разложении ксоноглита. Исчезли полосы, характерные для карбо натяых соединений (<3 = 1¿54; 1,45; 1,37). Снизилась интенсивное! дифракционных максимумов, характерных для кварца (сЗ =.3,36; 1,98 1,82).

Исходя из рентгенофаэового анализа оплавленного фактурного слоя, отличающегося от предыдущего наличием кварцевого песка, делаем вывод, что фактурный слой до оплавления представлен следующими соединениями: 'гидроадюмосиликатами кальция (д = 3,19; 2,74; 2,28; 1,98); полевыми шпатами (с1 = 3,74;-2,74; 2,19); гидросиликатами кальция; гшшебрандитоподобными (с1 = 2,43; 1,89; 1,65); тобермсритоподобными (с1 = 2,07;. 1,82; 1,57; 1,38); карбонатами (сЗ = 3,27; 2,07; 1,91; 1,57); кварцем (с! = 3,34; 2,28; 1,98; 1,65; 1,54).

В переходном слое проявляют себя: частично дегидратированные гвдроалюмосяликагы кальция (6 = 2,50; 2,28; 2,19) и гидросшшкзты кальция (с1 = 1,89; 1,82; 1,57). Полосы поглощения, .которые были характерны для карбонатов в основе фактурного слоя, в переходном слое исчезли, то есть произошел процесс декарбонизации. Появилась или частично увеличилась интенсивность дифракционных максимумов, характерных для кварца (с! = 3,34; 2,46; 2,24). Наличие большого числа п.олос, характерных для кварца объясняется значительным содержанием его в исходной смеси.

Фактурный слой на цементной основе из следующих компонентов: кварцевый песок, диопсид, молотое стекло, гранит, - представлен кварцем (сЗ = 4,25; 3,35; 2,12; 1,82; 1,54; 1,37); гидросшшкатами кальция типа гиллебрандита СгБИ (с! = 3,03; 1,67); типа тобермори-та (сЗ- = 1,82; 1,57); гидросидикзгом магния (с! = 2,45; 1,95; 1,54); гидроалюмосшшкатами кальция с характерными дифракционными максимумами, отмеченными ранее.

В переходном слое такого многокомпонентного состава уменьшилась интенсивность полос, характерных для кварца (с) = 4,26; 2,12; 1,37); частично дегидратировались ксонотлито- и тоберморитоподоб-ные гидросиликаты кальция (с! = 1,98; 1,82); произошел процесс си-ликатообразования.

Керамзитобетон представлен кварцем (с! = 4,27; 3,31;- 2,26; 2,11; 1,53-, 1,38); гидросиликатами кальция типа гиллебрандита (сЗ = 3,01; 2,92; 2,24; 1,81); ксонотлита (сЗ = 2,51; 1,84; 1,76); тобермсритоподобными (и = 2,55; 1,84; 1,66; алюмосиликатами типа А^Юб Сс1 = 4,21; 1,97; 1,75; 1,38); двухкалыщевым гидросиликатом (сЗ = 4,21; 2,43; 1,99; 1,82); щелочными алюмосиликатами (с! = 2,60;' 1,41); карбонатами кальция (сЗ = 2,49;' 1,60; 1,42).

Фактурный слой из следующих компонентов: белый цемент, глинозем, диопсид и молотое стекло, - представлен квзрцем ((3 = 4,26;'

3,32; 2,45; 2,27; 2,12; 1,98; 1,31; 1,67; 1,54); двухкапьциевым гидросиливатом (с! = 3,03; 2,88; 2,74; 2,08; 1,81); двухкапьциевым силикатом (<1 ='2,97; 2,27; 2,18; 1,91); карбонатами кальция (с! = 3,03; 2,28; 2,09; 1,87; 1,62); натриевым алюмосиликатом (<1 = 2,61; 2,23; 2,13; 1,85); диопсидом (б = 3,03; 2,88; 2,27; 1,87).

Переходный слой между стекловидным покрытием и основой фактурного слоя, исходя из рентгенограммы, имеет качественно другой компонентный состав, что свидетельствует о протекании физико-химических процессов на данной глубине.' Изменилась интенсивность линий, характерных для кварца, гвдрссшшкатов и гидроалюмосиликатов кальция (с!_= 2,72; 2,60; 2,45; 2,23; 2,18; 1,98; 1,67). Это объясняется тем, что при воздействии плазш на данной, глубине оплавленного изделия (2 ш от поверхности) происходит частичная дегидратация гид ратных соединений и изменение их фазового состояния, кварц переходит из одной модификации в другую, что также способствует изменению интенсивности характерных полос. Кроме того при воздействии высоких температур происходит декарбонизация карбонатов, о чем говорит исчезновение характерных полос для данного соединения. Натриевый алюмосиликат при действии высоких температур разлагается на силикаты натрия и алюмосиликаты, которые способствуют снижению температуры образования расплава.

Из рентгенограмм переходного слоя оплавленных золошлаковых изделий заметно частичное снижение интенсивности полос,.характерных для гидратных соединений гиролита, ксонотлита, что связано с их частичной дегидратацией, а также диссоциацией. Исчезновение полос, характерных для тоберморитов, свидетельствует об их разложении.

На рентгенограммах переходного слоя оплавленных газобетонных изделий появляются псевдоволластонит а-СЗ (<] = 3,20;2,80) и вол-ластонит В-СБ (с5 = 2,97; 2,72; 2,47; 1,83), на линии которых на-ложшшсь линии исходных материалов,' в основном, кварца; гидросиликатов ~ кальция типа тоберморита (<1 = 2,04; 1,84). Значительно снижается интенсивность линий кварца, полевых шпатов и гидросиликатов.

Во всех случаях стекловидное покрытие является практически рентгеноаморфным, свидетельствуя о том, что оно представлено стеклофазой, состав которой определяется химическим и минералогическим составом оплавленной поверхности (так наличие кварца обуславливает более высокую кислотоотойкость).' Зто объясняется тем,

го при резком охлаждении пленки расплава, образующейся в момент ^прикосновения поверхности изделия с плазмой, процесс кристалди-эции произойти не успевает.

Структура оплавленной поверхности определяется не только фа-эвым составом, но и в значительной степени зависит от режима ра-эты плазмотрона, определяющей температуру на поверхности изде-ия. - \

Установлено, что прочность сцепления стекловидной пленки за-исит от температуры оплавления, времени воздействия плазмы и олщины стекловидной пленки. Наибольшая прочность сцепления наб-юдается при температуре оплавления 2300 К. Бри более низких тем-ературах не достигается температура плавления составляющих фаз сновы бетонного изделия.

Влияние режимов плазменной обработки на прочность сцепления :лазменного покрытия обусловлено физико-химическими процессами, происходящими при воздействии плазмы, и фазовыми превращениями в [зделии. Прочность силикатсодермащего изделия определяется при-¡утствием низкоосновных ■ гидросиликатов кальция типа тоберморита и ссонотлита, которые прочно сцепляют- крупные зерна кварца. В интервале температур 973...1143 К гидросиликаты кальция переходят в (-силикат кальция (волластонит), превращающийся при 1398 К в ¿-модификацию (дсевдоволластонит), которая плавится при температуре 1817 К. Удаление адсорбционной воды у гидросиликатов кальция 1роисходит при 390...700 К. В интервале температур 900...1300 К наблюдается разложение кальцита, сопровождающееся выделением углекислого газа.

При величине плотности теплового потока ч = 1,5'10е Вт/м2 в течение 2 с превращение гидросиликатов в волластониты происходит на глубине 1 мм от поверхности оплавления при температуре слоя 1040 К. Стекловидное покрытие при этом имеет прочность сцепления 1,32 МПа. При повышении значения q до 2,0-10б Вт/м2 за более короткий промежуток времени (1с) разрушение гидросидикатов с образованием водластонитов происходит на меньшей глубине - 0,5 мм при температуре слоя 1300 К. Прочность сцепления в этом случае повышается до 2,34 МПа./ Если увеличить время воздействия того же теплового потока до 2 с, то образование расплава наблюдается не только на поверхности,' но и на глубине до 0,5 мм от нее. (температура 2040 К), что увеличивает толщину стекловидного покрытия до 0,5 мм, при этом увеличивается глубина разрушения гидросиликатов

до 1 мм и снижается прочность сцепления до 1,81 МПа,

Иэ анализа полученных данных следует, что прочность сцегш ния'в первую очередь зависит от глубины слоя разрушения гидроа-ликагов кальция, определяющих прочность оплавляемых изделий. ОС разущиеся яри этом силикаты кальция имеют волокнистую структу£ с ослабленными-связями междуволокнами, что снижает прочном сцепления. Подбором специального температурного режима возмож* изменить структуру в поверхностных слоях изделия и воздействовав на прочность сцепления, определяемую структурой переходного слоя Оптимальными условиями плазменной обработки бетонных изделий яв дяются удельный тепловой поток, равный 2,0-10б Вт/м2 и время воа действия илазмы 1 с. При этих условиях образуется стекловидно покрытие,- имеющее наибольшую прочность сцепления.

Прочностные характеристики покрытий зависят не только от па раметров теплового воздействия. Одним из факторов, который влияе на прочность сцепления и определяет структуру переходного слоя является гранулометрический состав используемого заполнителя.

При плазменном оплавлении поверхности силикатсодержащих иэ делий происходит образование тонкослойного стекловидного покры тия, сопровождающееся быстрым нагревом поверхности при соприкосновении с плазмой. Практически происходит мгновенный нагрев по верхности (доли секунды) до температуры плавления, а средняя температура всего тела изменяется.незначительно. Состояние кратковременного теплового удара является характерным для процесс, плазменной обработки. Поэтому при воздействии плазмы образующие: расплав частично снимает термические напряжения, возникшие в результате теплового удара на поверхности. Следовательно, боле! глубокие слои изделия не успегают прогреться до значительных температур, а нагрев происходит, в основном за счет теплопроводноси от жидкой фазы поверхностного расплава к более глубоким слоям изделия.

После оплавления происходит интенсивное охлаждение расплава, что также вызывает усадочные напряжения, часть которых снимаете? за счет амортизирующего действия жидкой фазы соседнего участка, но основные термические напряжения возникают после перехода жидкой фазы в твердую и охлаждения ее. Процесс образования расплав: на поверхности и протекающие при этом реакции отличаются от обычных реакций, протекающих при обжиге.

Структура отделочного слоя при оплавлении и прочность сцеп-

ления определяются, прежде всего, режимом оплавления, а затем уже свойством самого материала. Следовательно, качество оплавленного слоя и прочность сцепления являются факторами технологическими, а значит, управляемыми. Режим оплавления определяет температуру воздействия на поверхность изделия и, следовательно, в каждом случае должен выбираться с учетом структуры и толщины оплавленного покрытия. Если материал состоит из вещества или компонентов различного химического и минералогического состава (например, бетон, силикатный кирпич) то при воздействии низкотемпературной плазмы, ограниченном малым временным интервалом, сначала одновременно плавятся все компоненты, з затем происходит взаимодействие расплавов различной вязкости.

При оплавлении поверхности строительных материалов, прежде всего, происходит удаление адсорбционной, кристаллизационной и конструкционной влаги, диссоциация карбоната кальция СаСОз и карбоната магния М^СОз.

Кристаллизация расплавов силикатсодерзкащих изделий в больших объемах протекает сравнительно медленно, однако, при оплавлении низкотемпературной плазмой поверхности этих изделий объем жидкой фазы очень мал, и вязкость расплава возрастает по мере охлаждения, обрззуя стекловидное покрытие обрабатываемого материала.

С учетом распределения температурных полей вглубь изделия предложена схема образования стекловидного покрытия (рис. 2). Процесс взаимодействия расплава с основой схематично отражен на рис. 3.

Расплав 1, контактируя с зернами заполнителя 2, сплавляется с ними, образуя при охлаждении единый стекловидный каркас, основание которого, представленное не провзаимодействовавшей с расплавом частью зерен, находится в основе изделия 4, не подверженной термическому разрушению и сохранившей свои исходные прочностные связи. Данное основание выполняет анкерную функцию каркаса и ответственно за прочность сцепления покрытия с основой.

Одновременно часть расплава, взаимодействуя с вяжущим и частично мигрируя в его микро- и макролоры, за счет теплоотдачи вызывает дегидратацию ГСК, образуя при этом переходный слой 3 с ослабленными прочностными связями. Глубина деструкции переходного сдоя будет в прямой зависимости от количества полученного на поверхности расплава "и его теплоемкости. '

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при ис-

Переходный слой 2...4 мм

•Стекловидное покрытие 2400...3100 к

Стеклофазз + дегидратированные силикаты 800...1200 К

Дегидратированные силикаты + основа фактурного слоя 400...800 К

Основа фактурного слоя

300 К

Рис. 2. Схема распределения температурных полей вглубь изделия

'ПИП l'l|i!hn:fiii!|J||| ¡Г|!|1! ТТ

" I «I / . \ 1°

тпиргптт

о О 9 о О о

ООО

ООО

о ® ♦

ООО

4

Рис. 3. Схема формирования стекловидного покрытия на бетонных изделиях: 1 - расплав; 2 - зерна заполнителя; 3 - переходный слой; 4 - основа изделия

1

ользовании декоративного заполнктблл диаметром 3...10 мм при лотности распределения зерен по поверхности через 4 диаметра об-азуется покрытие с прочностью сцепления 2,9...3,3 Ша.

Установлено, что с увеличением модуля крупности в пределах ,6...4,2 прочность сцепления покрытия с основой возрастает от ,7 Ша до максимума, составляющего 3,3 МПа. В дальнейшем величи-а прочности сцепления уменьшается за счет того, что при форсирот энном термовоздействии возникают недопустимые напряжения. Из поученных данных следует, что для гермообрабатываемой поверхности одуль крупности заполнителя должен находиться а пределах ,-5...3,5.

На прочность сцепления покрытия с основой непосредственно лияет толщина стекловидного покрытия, регулируемая режимами ра-оты плазменного генератора. Чем больше толщина покрытия, тем ольшее количество тепла необходимо для' его образования и тем начительнее величина термических напряжений в поверхностных сло-х изделия.

При расчете толщины покрытия исходили из величины термичес-их напряжений, возникающих в переходном слое.

Наименьшие термические напряжения возникают при толщине оп-авленного слоя 0,2 мм, температуре на поверхности 1700 К и вре-ени воздействия плазмы 1 с. При необходимости увеличения тепло-ого потока, обуславливаемого минералогическим составом оплавляе-ой поверхности, следует сокращать время воздействия. В этом слу-ае при заданной толщине покрытия 0,Е мм величина возникающих ермических напряжений (40... 80 Ша) недостаточна для разрушения омплексообразующих химических связей в переходном слое, и обео-ечивается достаточно высокая прочность сцепления покрытия.

Гранулометрический состав определяет термические напряжения, озникающие между отдельными компонентами, входящими в состав бе-она, которые, в свою очередь, содействуют процессу образования ористости. Главным же образом, образование пористости при воз-ействии низкотемпературной плазмы обусловлено испарением соеди-ений щелочных металлов как продуктов дегидратации, декарбониза-ии и разложения гидросиликатов в процессе плавления и выходов дсорбционной, кристаллизационной и конструкционной влаги. Следо-ательно режимы обработки (величина теплового потока, определяе-ая мощностью, и скорость обработки) непосредственно влияют на ористость покрытия. Для получения малопористых (3,65 X) покрытий

0птймс1щ)кым рблшмоь! ебляэхся; . мошдистъ - 58 КВТ, скорость обработки - 0,14 м/с.

Комплексное исследование физико-химических процессов образования защитно-декоративного покрытия при плазменной обработке бетонных изделий доказывает, что при воздействии плазмы на бетонные изделия как на многокомпонентную систему, по мере повышения температур, протекание процессов происходит в следующей' последовательности:

1) дегидратация гидросиликатов, гидроалюмосиликатов кальция;

2) декарбонизация карбонатных соединений;

3) полиморфные превращения кварца и силикатсодержащих компонентов; —

4) стеклообразование, включающее в себя:

оплавление крупнокристаллических зерен заполнителя и плавление мелкокристаллической фазы, включающее в себя:

взаимодействие расплавов различной плотности; . гомогенизацию расплава;

образование стекловидного покрытия при охлаждении.

Помимо этого, можно сделать следующие выводы:

1) структура стекловидного покрытия имеет пористый характер, причем размер пор и их количество зависит от фазового состава и режимов оплавления;'

2) процессы, происходящие в переходном слое ответственны за прочность сцепления покрытия о основой за счет:

структуры силикатов кальция, обуславливающих количество расплава, затекающего в поры и микротрещины изделия; ' локальности оплавления заполнителя;

. 3) фазовый состав изделия определяет свойства покрытия и его прочность сцепления;

4) химическая стойкость морозостойкость бетонных изделии со стекловидным покрытием вше, чем у необработанных изделий, -это определяет способность к выполнению защитной функции на протяжении длительного срока;

5) варьированием минерального и фракционного состава можно управлять качественными характеристиками покрытия;

6) оптимальная толщина покрытия составляет 0,2 мм.

В четвертой главе освещены вопросы, связанные с разработкой качественных и количественных методов увеличения прочности сцепления покрытия с изделием путем подбора режимов обработки, техно-

логии создания фактурных слоев различного состава, а также разработкой повышения декоративного'качества покрытий. Изучено влияние режимов формования, продолжительности тепловлажностной обработки и вида заполнителя на качество стекловидного покрытия. С помощью метода математического планирования эксперимента рассчитано оптимальное содержание заполнителя. Проведены исследования влияния минералогического состава оплавляемой поверхности на прочность сцепления покрытия, на его химическую стойкость и морозостойкость. Исследована зависимость водопроницаемости покрытия от времени водонасыщения (рис. 4). Проведенные исследования показали, что защитно-декоративное покрытие на образцах бетонных изделий снижает водопроницаемость на 30...60 % в зависимости от состава фактурного слоя. Описаны пути повышения качества защитно-декоративных покрытий.

Благодаря полученным экспериментальным результатам, основанным на физико-химических исследованиях:

установлено влияние соотношения компонентов сложного заполнителя и водоцеменгного отношения на прочностные характеристики стекловидного покрытия и подобраны оптимальные режимы тепловлажностной обработки;

установлено оптимальное содержание полиминерального заполнителя в составе, фактурных слоев и паст;

установлены*оптимальные режимы плазменной обработки; доказано, что минералогический состав оплавляемой поверхности является управляемым технологическим фактором;

установлено, что образующееся стекловидное покрытие выполняет защитные функции в силу высоких показателей химической стойкости и морозостойкости и является долговечным (таблица 2);

предложены конкретные технологические приемы подготовки поверхности для различных видов бетонных изделий;

предложены пути повышения декоративных качеств стекловидного покрытия за счет расширения . цветовой гаммы с помощью нанесения растворов солей металлов и использования нетрадиционных сырьевых материалов.

В пятой главе дано описание опытно-промышленной технологической линии производства бетонных изделий с защитно-декоративным покрытием с помощью оплавления лицевой поверхности низкотемпературной плазмой. Приведены оптимальные режимы оплавления, описана технология декорирований бетонных изделий низкотемпературной

щг*

50

40 30 20 10

О

✓

неог шёль }ННЬП

5епю. у /

< / У г /

1 / ✓ ✓ Г .

$1

2 3 4 5 6 Тчас

4%

50

40

30 20

10

О

✓

/ 5/7/) \еннь ш > ✓ ✓ — V

5ето / у О"

* ✓ /> р ¿г л

Л1 г * /7

РТ ■■

2 3

/час

Рис. 4. Зависимость водопроницаемости от времени вод©насыщения для стекловидных покрытий на различных составах фактурных слоев в сравнении с бетонным

Таблица 2

Химическая стойкость и морозостойкость' бетонных изделий с защитно-декоративным покрытием

Составы фактурного слоя {мае, X) или испытуемые изделия Химическая стойкость основы в % по отношен™ К: Химическая стонкость покрытия в % по отношению к: Прочность бцепления покрытия с основой при испытании на морозостойкость:

НоО НС1 ЫаОН Н20 НС1 ЫаОН до испытания после испытания

1. Цемент-30, гранит-20, фарфор-50 94,40 76,50 96,30 99,60 Б5,90 98,90 3,17 ' 2,98

2. Цемент-30, кварцевый песок-25, фарфор-50 97,60 76,90 989,6 99,7 88,9 99,2 3,00 2,86

3. Цемент-30, кварцевый песок-30. гранит -20, фарфор-20 - 94,30 80,30 98,10 99,70 90,10 98,70 3,30 3,12

4. Цемент-30, кварцевый песок-10, стекло-60* 89,23 73,50 93,40 98,80 88,90 97,40 3,20 3,06

5. Цемент-30, кварцевый песок-10, гранит-Й5, стекло-40 92,25 67,40 94,12 98,80 83,62 98,25 3,28 3,18

6. Цемент-30, кварцевый песок-30, диопсид-20, гранит-10, стекло-10 91,04 69,41 96,49 98,50 90,93 98,22 3,25 3,08

Конструктивный бетон без фактурного слоя 88,90 63,00 92,10 - - - -

Керамзитобетон 92,40 72,58 98,39 - - - - -

Газобетон без фактурного слоя- 81,63 50,80 76,13 96,43 83,73 84,20 - -

плазмой. Дзны технические характеристики машины плазменной обработки бетонных изделий, принципиальные технологические схемы участков плазменной обработки золошакоблоков и бетонных панелей, перечислены комплекты механизмов для нанесения пастовых покрыт™ и приготовления и укладки фактурных слоев. На фотографиях показаны машина плазменной обработки и образцы бетонных изделий со стекловидным защитно-декоративным покрытием.

Основные выводы.

1. Получение защитно-декоративных покрытий на бетонных изделиях с помощью низкотемпературной плазмы - прогрессивный метод отделки, расширяющий возможности решения архитектурно-художественных задач в крупнопанельном домостроении, не требующий изменения производственного процесса.

2. Процессы и химические реакции при взаимодействии с плазмой протекают в пределах 10~3..Л0~б с по топотактическому механизму и носят локальный и неравновесный характер, кроме того, процессы дегидратации, силикатообразования, гомогенизации и образования стеклофазы протекают практически одновременно.

' 3. При воздействии плазмы на бетонные изделия как на многокомпонентную систему протекание процессов происходит в следующей последовательности: ,

дегидратация гидросиликатов, гидроалюмосиликатов кальция и декарбонизация карбонатных соединении;

полиморфные превращения кварца и сшшкатсодержащих компонентов;

стеклообразование.

4. Для бетонных изделий перед обработкой их низкотемпературной плазмой необходимо создание термозащитной зоны в виде фактурного слоя или пастового покрытия, причем фактурный слой целесообразен для изделий из тяжелого бетона, керамзитобетона некоторых видов золошлакоблочных изделий; на поверхность легких ячеистых и газобетонных изделий, которые сами способны к образованию стекловидного покрытия," требуется нанесение ласт на основе жидкого стекла.

5. С учетом термических напряжений, возникающих в покрытии рекомендованы оптимальные режимы оплавления, -. ими являются удельный тепловой поток 1,5'10б...2,0'10б Вт/м2 и время воздействия 1 с, обеспечиваемые при мощности 56...75 кВт и скорости обработки 0,10...О,14 м/с; рассчитанная оптимальная толщина покрытия составляет 0,2 мм.

ЕЗ

6. Предложены пути повышения декоративных качеств стекловид-го покрытия за счет расширения цветовой гаммы с помощью нанесе-я растворов солей металлов и использования нетрадиционных сырь-ых материалов.

7. Разработана и внедрена в Томском АО "Химстрой" опыт--промьшшенная технологическая линия по производству плазмиро-нных бетонных изделий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих pairas:

. Создание качественно новых облицовочных и конструкционных материалов с использованием низкотемпературной плазмы: Отчет о НИР / ГОШ строит, материалов при Том. инж.-отроит, ин-те; Руководитель Г.Г.Волокитин.- N гр 01900000421; Инв. N 029.00 027680.- Томск, 1989.- 145 с. !. Свойства защитно-декоративных покрытий бетонных изделий / Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Куликова Г,А. и др.// Строительные материалы.- 1992.- N 7.- С. 25-26. ¡. Исследование возможности получения качественных защитно-декоративных покрытий на силикатных изделиях с помощью низкотемпературной плазмы для различных регионов РСФСР: Отчет о НИР / Томский ш.-строит, ин-т (ТИСИ); Руководитель Г.Г.Волокитин. - N ГР 01850011024; Инв. N 02860057216.- ДСП.-Томск, 1985.- 95 с.

L Патент 1720214 СССР. Способ изготовления декоративных бетонных изделий / Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Куликова Г.А., Борохова О.Н. (СССР).- N 4768292/33; Опубл. 15.12.89, бюл. N 11. -

>. Разработка и внедрение технологии и автоматизированной линии по обработке поверхности силикатного кирпича низкотемпературной плазмой: Отчет о НИР / Томский инж.-строит, ин-т . (ТИСИ); Руководитель Г,Г. Волокитин.- N ГР 01860086494; инв. N 02870036925.- ДСП.- Томск, 1985.- 65 с. 5. Разработка технологии создания защитно-декоративных покрытий на бетонных изделиях с использованием низкотемпературной плазмы: Отчет о НИР / Томский инж.-строит, ин-т (ТИСИ); Руководитель Г.Г.Волокитин.- N ' ГР 01900002940; инв. N 02900056125.- Томск, 1990.'- 70 с.

7. Расширение сырьевой базы, комплексное использование мин ральных ресурсов и промышленных отходов для получения стро тельных материалов J Скрипникова Н.К., Куликова Г.А., Жирн ваГЛ!., Борохова О.Н.// Тез." докл. Всесоюз. конф. "Фив

• •ко-химические проблемы материаловедения и новые технолог™ Ч. 10. Теоретические проблемы строительного материаловеден я эффективные строительные материалы.- Белгород, 1991.72-73. '

8. Обработка низкотемпературной плазмой - эффективный вид те модекорирования и защиты бетонных изделий / Волокитин Г.Г Скрипникова Н.К., Куликова Г.А., Жирнова Г.И., Борохо D.H.// Тез. докл. республик, научно-техн. конф. "Совершен твовалие существующих и создание ноеых ресурсосберегающ технологий и оборудования в машиностроительном и сварочн производстве и строительстве."- Могилев, 1991.- С. 28-29.

9. Плазменная обработка бетонных изделий с фактурным слоем местного сырья и отходов промышленности / Волокитин Г.Г Скрипникова Н.К., Куликова-Г.А., Никифоров A.A.//'Тез. док междунар. научно-техн. конф. "Экологические проблемы крупн го промышленного центра".- Новокузнецк, 1995.- С. 62-63.

10. Изучение механизма образования стекловидного покрытия на б тонных изделиях _с помощью низкотемпературной плазмы / Вол китин Г.Г., Скрипникова Н.К., Куликова Г.А.// Тез. док 53-й научно-техн. конф. профессорско-преподавательского со тава с участием представителей строительных, проектных и в учно-исследовательских оргаизаций в Новосибирской государ твенной академии строительства.- Новосибирск, "1996.38-39.

11. Создание защитно-декоративных покрытий на сшшкатсодерзкащ изделиях / Скрипникова Н.К., Куликова Г.А.// Тез. докл. во рос. научно-техн. конф. "Создание защитных и упрочняющ покрытий с использованием концентрированных потоков эне гии".- Барнаул, 1996.-.С. 41-42.