Лекционный материал к теме №2 «Минеральные вяжущие вещества

И добавки к ним»

 

Вяжущие вещества делят на две группы:

ü неорганические;

ü органические.

Неорганическими называют тонкомолотые материалы, способные при смешивании с водой образовывать вязко-пластичную массу, которая постепенно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело. Для них характерны следующие признаки:

§ гидрофильность,

§ способность образовывать с водой тестообразную легко формующуюся массу (тесто),

§ способность переходить из тестообразного состояния в твердое.

К ним относятся известь, гипс, цемент, предназначенные для изготовления строительных растворов и бетонов, а также изделий из них.

Органические вяжущие гидрофобны. В отличие от неорганических, в рабочее состояние они переходят при нагревании или размягчении в органических жидкостях. К органическим вяжущим относят - битумы, смолы, дегти, пеки, применяемые для производства асфальтобетонов рулонные кровельных и гидроизоляционных материалов.

Минеральными вяжущими называются порошкообразные вещества, которые при смешивании (затворении) с водой дают пластичное тесто, способное с течением времени под влиянием физико-химических процессов затвердевать и переходить в камневидное состояние. При способности твердеть минеральные вяжущие вещества классифицируют на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие. Они могут затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. К ним относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, а также жидкое стекло.

Гидравлические вяжущие. Они твердеют и сохраняют свою прочность как на воздухе, так и в воде. Однако начальный период твердения (процесс схватывания), как правило, должен протекать на воздухе или в среде, изолированной от воды. К гидравлическим вяжущим относятся все виды цементов, гидравлическая известь, гилсоцементно-пуццолановое вяжущее и др. Кроме указанных воздушных и гидравлических вяжущих веществ существуют кислотостойкие вяжущие вещества, а также вяжущие автоклавного твердения, твердеющие при температуре 170...200 °С и давлении 0,9... 1,2 МН/м, изготовляемые на основе извести.

Глина — широко распространенная горная порода. Глина представляет собой горную породу, очень сложную и непостоянную как по составу входящих в нее минералов, так и по физическим и технологическим свойствам. Чрезвычайно разнообразны и условия образования глин.

Глины обладают способностью размокать, распускаться в воде на отдельные частицы, образуя, в зависимости от количества воды, либо пластичное тесте, либо «взвеси» (муть), т. е. такие жидкие смеси, в которых мельчайшие частицы глины находятся во взвешенном состоянии. Такие глиняные взвеси обладают ярко выраженной вязкостью.

Свойства глин целиком зависят от их химического и минерального состава, а также от величины составляющих их частиц.

Важнейшими свойствами глин являются:

1) способность в смеси с водой образовывать тонкие «взвеси» (мутные лужи) и вязкое тесто;

2) способность набухать в воде;

3) пластичность глиняного теста, т. е. способность его принимать и сохранять любую форму в сыром виде;

4) способность сохранять эту форму и после "высыхания с уменьшением объема;

5) клейкость;

6) связующая способность;

7) водоупорность, т. е. способность после насыщения определенным количеством воды не пропускать через себя воду.

Из глиняного теста делают различные изделия — кувшины, кринки, горшки, миски и т. п., которые осле обжига становятся совершенно твердыми и не пропускают воду. Кирпичные заводы вырабатывают из глины строительные кирпичи, также обладающие большой механической прочностью. Это указывает еще на одно важное свойство глины — ее способность твердеть после обжига, давая материал, не размокающий в воде и непроницаемый для нее.

Глины могут быть всех цветов — от белого до черного. Когда хотят покрасить стены в цветные тона, берут желтые, красные, зеленые и другие глины.

На нефтеперегонных заводах используют некоторые сорта глин для очистки нефтепродуктов. Применяют их и для очистки растительных масел и жиров.

Наиболее ценными для народного хозяйства являются следующие разновидности глин:

Каолин — глина белого цвета. В основном он состоит из минерала каолинита. Обычно менее пластичен по сравнению с другими белыми глинами. Он является основным сырьем для фарфорово-фаянсовой и бумажной промышленности.

Огнеупорные глины. Для этих глин характерен белый и серо-белый цвет, иногда со слегка желтоватым оттенком. При обжиге они должны выдерживать без размягчения температуру не ниже 1580°. Пластичность их может быть различной. Используются эти глины для производства огнеупорных и фарфорово-фаянсовых изделий.

Кислотоупорные глины. Эти глины представляют собой разновидность огнеупорных глин с небольшой примесью железа, магния, кальция и серы. Используются для химических фарфорово-фаянсовых изделий.

Формовочные глины — разновидность огнеупорных глин, обладающая повышенной пластичностью и повышенной связующей способностью. Они применяются в качестве связующего материала при изготовлении форм для металлургического литья. Иногда для этих целей применяются также тугоплавкие глины (при обжиге менее устойчивые, чем огнеупорные) и даже легкоплавкие—бентонитовые глины.

Цементные глины обладают различным цветом и разным минеральным составом. Вредной примесью является магний. Применяются эти глины для получения портланд-цемента.

Кирпичные глины — легкоплавкие, обычно со значительной примесью кварцевого песка. Их минеральный состав и цвет могут быть различными. Применяются эти глины для производства кирпича.

Бентонитовые глины. Основным образующим их минералом является монтмориллонит. Цвет их различный. Они сильно набухают в воде. Обладают более высокой отбеливающей способностью, чем другие глины. Применяются эти глины для очистки нефтепродуктов, растительных и смазочных масел, при бурении скважин, а иногда, как отмечалось ранее, — при изготовлении литейных форм.

В промышленности и технике нередко называются и другие разновидности глин: гончарные, черепичные, сукновальные, керамические, буровые, фаянсовые, фарфоровые, капсельные, строительные, красочные и т. п.

В производственной практике встречается также деление глин на «жирные» и «тощие» (супеси, суглинки). Такое деление глин связано со степенью загрязненности их кварцевым песком. Кварцевый песок — наиболее частая и почти всегда преобладающая примесь в глинах, особенно в месторождениях глин остаточного типа. В «жирных» глинах песка мало, а в «тощих» его много.

Воздушная известь как вяжущее была известна человечеству за несколько тысяч лет до нашей эры. Ее получают умеренным обжигом известняков, мела, доломитизированных известняков и доломитов, содержащих не более 6 % глины. Технология получения воздушной извести состоит из добычи известняков в карьерах, их дробления, сортировки и обжига. Обжиг осуществляют, как правило, в шахтных печах при максимальной температуре в зоне обжига 1000...1200 °С. После обжига куски извести имеют пористую структуру вследствие удаления СО₂ из известняков. Такая известь называется комовой негашеной. Полученная после обжига комовая известь либо подвергается помолу для получения порошкообразной извести-кипелки (СаО), либо гасится водой для получения гашеной извести Са(ОН)₂. Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного оксида разделяется на кальциевую, магнезиальную и доломитовую.

Строительная воздушная негашеная известь подразделяется на три сорта: 1, 2 и 3-й.

Процесс гашения извести чрезвычайно экзотермичен, поэтому осуществляется в специальных известигасильных установках и машинах. При гашении большим количество воды, в 3...4 раза превышающим массу извести-кипелки, известь гасится в известковое тесто, ограниченным количеством воды (60...70 % от массы извести-кипелки) в известь-пушонку. Гашеная известь в виде теста имеет среднюю плотность до 1400 кг/м³.

Известковое тесто представляет собой сметанообразную массу белого цвета.

Известь-пушонка, или гидратная известь, представляет собой белый тонкодисперсный порошок. Средняя плотность ее в рыхлом состоянии доходит до 450 кг/м, в уплотненном — до 700 кг/м. Гидратную известь транспортируют затаренной в мешках или навалом, погрузку и разгрузку осуществляют в мешках автопогрузчиками, навалом — посредством различного рода пневмоприспособлений.

Комовая известь транспортируется навалом, молотая известь-кипелка аналогично гидратной — навалом или в мешках. При транспортировке, погрузке и разгрузке порошкообразной и комовой извести нужно соблюдать большую осторожность: известь, особенно негашеная, раздражающе действует на мокрую кожу, слизистые оболочки носа, глаз и дыхательный путей. Молотая известь при хранении гасится, забирая влагу из воздуха, при этом отчасти карбонизируется и теряет свои свойства. Воздушная известь широко применяется для приготовления известково-песчаных и смешанных растворов, используемых при штукатурных и каменных работах, а также в качестве связующего при производстве малярных работ. Воздушную известь нельзя применять во влажных помещениях. Условия ее применения ограничены не только незначительной влагостойкостью, но и длительностью твердения в естественных условиях.

Применяется известь также в производстве силикатного кирпича и изделий из силикатных бетонов.

Гидравлическая известь — продукт умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6...20 % глинистых примесей. При обжиге (Т = 900...1000 °С) после разложения углекислого кальция (СаСО₃) часть образующегося оксида кальция (СаО) соединяется с окислами SiO₂, AI₂O₃, содержащимися в минералах глины, образуя силикаты, алюминаты и ферриты кальция.

Гидравлическая известь вследствие большого содержания в ее составе свободного оксида кальция при действии на него воды подвергается гашению. Чем больше в гидравлической извести свободных оксида кальция и магния, тем меньше ее способность к гидравлическому твердению. Процесс получения гидравлической извести состоит из добычи сырья, его обжига и помола или гашения.

К гидравлической извести предъявляются следующие требования: по тонкости помола — на сите № 008 не должно оставаться более 10 %, по прочности контрольных образцов на сжатие —для сильногидравлической через 28 сут — не менее 5,0 МПа, для слабогидравлической — не менее 1,7 МПа.

Используют гидравлическую известь при приготовлении растворов для каменной кладки и штукатурки, а также при приготовлении низкомарочных бетонов. Растворы и бетоны, изготовленные на гидравлической извести, некоторое время должны твердеть на воздухе.

Гипсовые вяжущие получают термической обработкой природного двуводного гипса (CaSO₄×2H₂O), природного ангидрита (CaSO₄) или отходов промышленности, состоящих из сернокислого кальция. В зависимости от температуры обработки получаются быстротвердеющие вяжущие, нормальнотвердеющие и медленнотвердеющие (600...1000 °С).

Гипсовые вяжущие широко применяются в строительной индустрии. Их добавляют в известково-песчаные растворы для ускорения схватывания и увеличения прочности. На основе гипсовых вяжущих изготовляют листы гипсокартонные, искусственный мрамор и другие строительные гипсовые изделия.

Гипсовые вяжущие при транспортировании и хранении должны быть защищены от увлажнения и загрязнения.

Ангидритовый цемент. Это медленно твердеющее вяжущее вещество марок 60, 100, 150, 200. Получают его из природного ангидрита (CaSO₄) совместным помолом с катализаторами. Применяют для устройства бесшовных полов, оснований под рулонные материалы, приготовления легких и тяжелых бетонов низких марок и искусственного мрамора. Изделия из ангидритового цемента неводостойки, поэтому применяются только в сухих помещениях.

Магнезиальные вяжущие вещества. К ним относятся каустический магнезит (MgO) и каустический доломит (MgО×СаСО₃). Это порошкообразные материалы, получаемые обжигом при 650...850 °С дробленых природных магнезитов и доломитов. Каустический магнезит и каустический доломит при затворении водой твердеют медленно и имеют небольшую прочность, вследствие чего их затворяют растворами хлористого или сернокислого магния. В этом случае процесс твердения протекает значительно быстрее, а полученный искусственный камень характеризуется большей прочностью. Каустический магнезит имеет марки 400, 500, 600, а каустический доломит — 100, 150, 200 и 300. Магнезиальные вяжущие используют при устройстве ксилолитовых полов (магнезиальные вяжущие в смеси с древесными опилками), изготовлении магнезиального фибролита, арболита и цементно-стружечных плит. Транспортируют и хранят вяжущие в мешках или емкостях, предохраняющих их от увлажнения.

Жидкое стекло. Жидким стеклом называют растворимые соли кремниевой кислоты. Получают его расплавлением в стекловаренных печах при температуре 1350...1400 °С тщательно перемешанной смеси размолотых кварцевого песка, кальцинированной соды, или поташа, или сульфата натрия с образованием силикат-глыбы, которую впоследствии подвергают помолу. Тонкомолотые порошки, получаемые помолом силикат-глыбы, могут медленно растворяться в воде. Однако чаще всего жидкое стекло как вяжущее получают обработкой дробленой силикат-глыбы паром в автоклавах при давлении 0,5...0,6 МПа.

Кремнефтористый натрий одновременно повышает водо- и кисло-тостойкость затвердевшего жидкого стекла. Растворимое стекло применяют для получения силикатных огнезащитных красок, для предохранения естественных каменных материалов от выветривания, для получения кислотоупорного и жаростойкого цементов, а также для уплотнения (силикатизации) грунтов.

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой (3-5 %) гипса. Клинкер представляет собой зернистый материал (в виде порошка или гранул), полученный обжигом до спекания (при 1450 ºС) сырьевой смеси, состоящей в основном из карбоната кальция (различных видов известняков) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.).

Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера. Качество клинкера определяет все свойства портландцемента; добавки же, вводимые в цемент, лишь регулирует его свойства. Качество клинкера зависит от его химического и минерального состава, тщательности подготовки сырьевой массы, условий проведения ее обжига и режима охлаждения.

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы - мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75...78 %) и глинистых пород (25... 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых - глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс. Гипс необходим для регулирования сроков схватывания.

Производство портландцемента. Производство портландцемента состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси - получения клинкера; измельчения клинкера с добавками - получения цемента.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента.

При мокром способе сырье дробят и размалывают без дополнительной подсушки. Весьма часто помол осуществляют с добавлением воды, глину размешивают в специальных емкостях - болтушках. Смесь готовят тщательным перемешиванием жидких молотых смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь - цементный шлам - содержит до 40 % и более воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья - помол - осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450... 1500 °С) спекается в гранулы размером 5... 20 мм и более. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии - в специальных устройствах - холодильниках.

Существует и достаточно прогрессивный способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100... 1150 °С), в 3... 4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал - алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу.

Кислотоупорный цемент. Его получают совместным помолом кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Вяжущим веществом в таких цементах является водный раствор жидкого стекла. Растворы и бетоны, приготовленные на кислотоупорном цементе, обладают высокой стойкостью против действия многих минеральных и органических кислот, но разрушаются под действием щелочей.

Кислотоупорный цемент применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения резервуаров и других сооружений химической промышленности.