Неорганические вяжущие вещества

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Гидравлические  вяжущие вещества 

 

Гидравлические вяжущие  представляют собой тонкомолотые порошки, состоящие из силикатов и алюминатов кальция, гидратирующихся в водной среде с образованием прочного водостойкого искусственного камня. Химический состав соединений, входящих в состав гидравлических вяжущих, представляют в виде оксидов. Например, силикат кальция CaSi03, записывают СаО + Si02 или сокращенно CS, трехкальциевый алюминат Са3А1203, как ЗСаО + Al203 или С3А, гидросиликат кальция 2СаО + Si02 + 2Н20 = C2SH2.

Способность гидравлических вяжущих превращаться под действием  воды в прочный камень характеризуется  активностью или прочностью (кгс/см-) в 28 суток твердения в естественных условиях (температура 18-н20° С, влажность 95-98%) раствора состава Ц:П = 1:3 с песком определенного размера. По активности — при условии, что вяжущее удовлетворяет комплексу других, предусмотренных ГОСТом, требований: тонкости помола, срокам схватывания, равномерности изменения объема, ему присваивают марку 200, 300, 400 и т.д.

К гидравлическим вяжущим  веществам относятся гидравлическая известь, которая занимает промежуточное  положение между воздушными и гидравлическими вяжущими, портландцемент, разновидности портландцемента и специальные виды цементов. Строительные растворы и бетоны на романцементе отличаются от полученных на гидравлической извести более высокой стойкостью при эксплуатации во влажных условиях и при попеременном увлажнении и высушивании. Применяют романцемент для изготовления бетонов низких марок и растворов, используемых при возведении наземных и подземных частей зданий, а также в производстве стеновых камней и мелких блоков, особенно методом пропаривания.

Глина - это осадочная горная порода в виде смеси частиц песка, пылевидных и собственно глинистых частиц. В зависимости от содержания песка различают жирную, средней жирности (полужирную) и тощую (суглинки) глины. Глина обладает способностью во влажном состоянии образовывать пластичное тесто, легко принимающее заданную форму и сохраняющую ее после высыхания.

В сельском строительстве  глину используют как вяжущее  вещество для штукатурных растворов.

Цементы изготовляют из природного мергеля (осадочной горной породы) определенного химического состава или из смеси известняка и глины, которую обжигают во вращающихся печах до спекания. Сырье после обжига называют клинкером. При совместном помоле клинкера с гипсом и другими добавками получают порошок сероватого цвета — цемент.

Тонкость помола цемента  влияет на скорость его схватывания и твердения, а также на прочность, и характеризуется величиной остатка на сите с сеткой установленного стандартами и техническими условиями номера.

Цементы классифицируют: по виду клинкера и вещественному составу; прочности при твердении; скорости твердения; специальным свойствам.

Портландцемент получают путем совместного помола портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и необходимого количества гипса.

Шлакопортландцемент схватывается и твердеет медленнее, чем портландцемент.

Классификация портландцемента :

·  портландцемент пластифицированный - получают при помоле клинкера 0,25 % концентрата сульфитно-спиртовой барды — поверхностно-активного вещества, повышающего пластичность и морозостойкость растворов, приготовленных на этом цементе.

·  портландцемент гидрофобный - получают, вводя при помоле клинкера 0,1...0,2 % мылонафта или другой гидрофобизующей поверхностно-активной добавки (асидола, окисленного петролатума, синтетических жирных кислот). Добавки снижают гигроскопичность цемента и повышают подвижность, удобоукладываемость растворных смесей и морозостойкость затвердевших материалов.

·  портландцемент белый - получают совместным измельчением белого маложелезистого клинкера, активных минеральных добавок и гипса. Применяют для архитектурно-отделочных работ. По степени белизны портландцемент делят на три сорта 1-, 2- и 3-й.

·  портландцемент цветной - получают совместным тонким измельчением белого и цветного портлаидцементного клинкера, минеральных и органических красителей (например, охры, железного сурика, окиси хрома), гипса и активной минеральной добавки.[7]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Производство  и применение вяжущих веществ  

 

2.1 Основа производства  неорганических вяжущих веществ

 

Основу производства неорганических вяжущих веществ составляют следующие  технологические переделы: добыча сырья, подготовка сырьевой смеси, обжиг и  помол. Все технологические переделы последовательно связаны между  собой и проводятся в строго заданных режимах. Принципиальных отличий при  изготовлении вяжущих нет; различно сырье, следовательно, технические  приемы осуществления указанных  переделов.

Производство вяжущих  веществ связано с переработкой больших количеств разнообразных сырьевых и вспомогательных материалов. Например, для получения 1 т портландцементного клинкера расходуется до 1,5...1,8т известняка и до 0,2...0,5 г глинистых пород. Учитывая высокую стоимость транспорта, заводы вяжущих веществ строят вблизи месторождений сырьевых материалов, и их добыча входит в общий комплекс технологических операций, осуществляемых заводом.

Добычу нерудных ископаемых осуществляют методом прямой экскавации. Скальные породы (известняки и др.) предварительно разрыхляют взрывами. Мягкие породы (глину  и мел) добывают гидромониторами  в виде текучей массы (шлама).

Доставку сырья на завод  осуществляют железнодорожным, автомобильным  транспортом, ленточными конвейерами  или перекачивают по трубопроводам  в виде шлама.

Обязательной подготовительной операцией в производстве всех вяжущих  является измельчение сырья. При производстве вяжущих из однокомпонентного сырья (извести, гипса и др.) последнее измельчают до кусков примерно одного размера. В противном случае мелкие куски окажутся пережженными, а крупные необожженными, т. е. не будет однородного продукта. Высококачественные вяжущие из смеси нескольких сырьевых компонентов (портландцемент и его разновидности и др.) можно изготовить только из однородной смеси, получаемой тщательным смешением составляющих в тонкоизмельченном виде. Дробление сырья производят в конусных, щековых, молотковых, валковых и других дробилках ( рис. 2.1.). Тонкое измельчение (помол) сырья производят мокрым и сухим способами в мельницах.

Рис 2.1. Щековая дробилка

При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают  в присутствии воды до образования  сметанообразной водной суспензии  — шлама. Компоненты сырьевой шихты, способные распускаться в воде '(глина, мел, мягкий мергель и другие породы), предварительно размучивают (распускают) в специальных аппаратах-болтушках, представляющих собой бетонные резервуары, оборудованные устройствами для  размешивания суспензии, а затем  направляют на помол в шаровые  мельницы (рис.2.2.).

 

Рис.2.2. Шаровая мельница

Твердые сырьевые материалы (известняк, мергель) размалывают в  мельницах, представляющих собой стальной цилиндр, разделенный внутри на камеры дырчатыми перегородками. При вращении мельницы мелющие тела (металлические  шары или цилиндрики) поднимаются  на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Выходящий  из мельницы сырьевой шлам влажностью 36....38 % транспортируют по трубам в шламбассейны, где его тщательно усредняют и гомогенизируют, а затем подают на обжиг.[2]

При сухом способе дробленые  сырьевые материалы частично подсушивают, дозируют с заданных соотношениях и подают в мельницу, где они измельчаются до требуемой тонины. Для тонкого измельчения сырьевой шихты преимущественно применяют технологические схемы с мельницами для одновременной сушки и помола .

Усреднение и гомогенизацию  сырьевой муки при сухом способе  осуществляют в силосах, нагнетая в  них сжатый воздух. При насыщении (аэрировании) воздухом сухая шихта приобретает подвижно-текучее состояние.

При производстве портландцемента  все шире используют также комбинированный  способ приготовления сырьевой смеси, при котором сырьевую смесь готовят  по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы для  обжига.

Выбор способа подготовки сырьевой смеси обусловливается  главным образом свойствами сырьевых материалов и экономическими соображениями. При мокром способе облегчается  измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг в 1,5...2 раза больше, чем при сухом способе. При сухом способе возрастает расход электроэнергии и трудоемкость производства. Успехи в технике помола и гомогенизации сухих смесей в настоящее время способствуют развитию сухого и комбинированного способов производства.

Обжиг сырьевой шихты является важнейшим этапом в производстве вяжущих веществ. В результате физико-химических процессов, происходящих при термической  обработке исходных сырьевых материалов, образуются новые соединения, способные  вступать во взаимодействие с водой  и при этом твердеть, превращаясь  в искусственный камень. Каждый вид  вяжущего требует определенных температур и времени действия на обрабатываемое сырье.

При нагревании вследствие ускорения теплового движения ионов, атомов и молекул в твердом  теле возникают условия для отрыва некоторых из них с постоянных орбит движения и перехода их в  окружающее пространство. В результате, как это происходит при дегидратации (обезвоживании) природного гипса при 150...200°С или декарбонизации (удалении СО2) карбонатных пород при 800...900°С, образуются новые вещества (гипсовые вяжущие и воздушная известь), обладающие вяжущими свойствами.

При температурах 800... 1200 °С и более тепловое движение молекул твердых веществ возрастает столь значительно, что между ними становится возможным взаимообмен ионами и атомами с образованием новых соединений (реакции в твердых фазах). При обжиге в этих условиях мергелистых известняков или искусственных смесей известняков и глины продукты их разложения (CaO, SiO2, A12O3, Fe2O3 и др.) образуют серию новых соединений (2CaO-SiO2, СаО-А12О3, 2CaO-Fe2O3), являющихся основными минералами гидравлической извести и романцемента.

Скорость химических реакций  возрастает при появлении жидкой фазы (при температуре более 1300 °С).

Процесс обжига с частичным  плавлением сырьевой смеси называют спеканием. Обжигом до спекания получают портландцементный клинкер. Образование  жидкой фазы при его производстве обеспечивает наиболее полное усвоение оксидами кремния SiO2 и алюминия А12О3 оксида кальция СаО и получение высокоосновных минералов, в частности наиболее ценного минерала в клинкере — трехкальциевого силиката 3CaO-SiO2.

Наиболее быстро химические реакции образования веществ, обладающих вяжущими свойствами, протекают при  полном плавлении сырьевой смеси. Этого  обычно достигают нагреванием смеси  до 1600..1800 °С, что требует повышенного расхода топлива и применения специальных печей. В настоящее время плавлением получают лишь глиноземистый цемент высоких марок.

Таким образом, получение  вяжущего вещества с заданными свойствами зависит не только от химического  состава сырья, но и от правильного  выбора температуры обжига и интервала  времени для каждой зоны обжига. Из одной и той же минеральной  смеси, но при разных температуре и режиме обжига можно получить вяжущее с различными свойствами (например, роман-цемент и портландцемент).

Процессы, происходящие при  обжиге сырьевых материалов, и тепловые аппараты для обжига имеют определенную специфику для разных вяжущих, поэтому  будут рассмотрены при описании конкретных вяжущих веществ.

Хранят вяжущие вещества обычно в железобетонных силосах, которые  оборудуют пневматическими устройствами для рыхления и загрузки вяжущих в транспортные средства. Некоторое количество вяжущих (около 20 % от выпуска) отправляют потребителям в бумажных многослойных мешках.

При отправке вяжущих веществ  потребителям выдают паспорт, в котором  указывают: завод-изготовитель, название вяжущего, его технические характеристики, массу партии и другие сведения.[6]  

 

2.2 Производство  воздушных вяжущих веществ

 

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат сульфатные горные породы, содержащие преимущественно минерал двуводный гипс.

При тепловой обработке природный  гипс постепенно теряет часть химически  связанной воды, а при температуре  от 110 до 180°С становится полуводным гипсом. После тонкого измельчения этого продукта обжига получают гипсовое вяжущее вещество.

При тепловой обработке природного гипса в герметически закрытых аппаратах  и, следовательно, при повышенном давлении пара химически связанная вода выделяется в капельно-жидком состоянии с  образованием при температуре примерно 95 ... 100°С а-модификации полуводного гипса.

Обе модификации полуводного  гипса отличаются между собой: модификация  полугидрата отличается крупнокристаллическим  строением.

Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный и высокопрочный  гипсы.

Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельченного двуводного гипса. На отдельных заводах после обжига гипс подвергают вторичному помолу. Он относится к мелкокристаллической разновидности гипсового вяжущего вещества, что увеличивает водопотребность при затворении строительного гипса водой до стандартной консистенции теста. В отвердевшем состоянии обладает невысокой прочностью — 2 ... 16 МПа. Но прочность на сжатие уменьшается с увлажнением образцов.

Гипс формовочный состоит  также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного  большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола а-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15 ... 0,3 МПа. Вместо автоклавов возможно использование в качестве тепловой среды водных растворов некоторых солей, например хлористого кальция.