Переработка и использование природных соединений кальция (известь, мрамор, мел). Гипс, его свойства. Производство цемента, процессы «схватывания» и твердения цемента.

Карбонат кальция СаСО₃ — одно из самых распростра­ненных на Земле соединений. Минералы на основе СаСО₃ покрывают около 40 млн. км² земной поверхности. Мел, мрамор, известняки, ракушечники — все это СаСО₃ с не­значительными примесями, а кальцит — чистый СаСО₃.

Самый важный из этих минералов — известняк. (Пра­вильнее говорить не об известняке, а об известняках: из­вестняки разных месторождений отличаются по плотно­сти, составу и количеству примесей). Известняки есть практически везде. В европейской части известняки встречаются в отложениях почти всех геологических воз­растов. Ракушечники — известняки органического проис­хождения — особенно распространены на северном побе­режье Черного моря. Знаменитые Одесские катакомбы — это бывшие каменоломни, в которых добывали ракушеч­ник. Из известняков главным образом сложены и запад­ные склоны Урала.

В чистом виде известняки — белого или светло-желто­го цвета, но примеси придают им более темную окраску.

Наиболее чистый СаСО₃ образует прозрачные кристал­лы известкового или исландского шпата, широко приме­няемого в оптике. А обычные известняки используются очень широко — почти во всех отраслях народного хо­зяйства.

Больше всего известняка идет на нужды химической промышленности. Он незаменим в производстве цемента, карбида кальция, соды, всех видов извести (гашеной, не­гашеной, хлорной), белильных растворов, цианамида каль­ция, известковой воды и многих других полезных веществ.

Значительное количество известняка расходует и ме­таллургия — в качестве флюсов.

Без известняка не обходится ни одно строительство. Во-первых, из него самого строят, во-вторых, из известня­ка делают многие строительные материалы.

Известняками (щебенкой) укрепляют дороги, извест­няками (в виде порошка) уменьшают кислотность почв. В сахарной промышленности известняк используют для очистки свекловичного сока.

Другая разновидность углекислого кальция — мел. Мел — это не только зубной порошок и школьные мелки. Его используют в бумажной и резиновой промышленно­сти — в качестве наполнителя, в строительстве и при ремонте зданий — для побелки.

Третья разновидность карбоната кальция —мрамор — встречается реже. Считается, что мрамор образовался из известняка в давние геологические эпохи. При смещениях земной коры отдельные залежи известняка оказывались погребенными под слоями других пород. Под действием высокого давления и температуры там происходил процесс перекристаллизации, и из­вестняк превращался в бо­лее плотную кристалличе­скую породу — мрамор.

Естественный цвет мрамо­ра — белый, но чаще всего различные примеси окраши­вают его в разнообразные цвета. Чистый белый мрамор встречается не часто и идет в основном в мастерские скульпторов. Из менее цен­ных сортов белого мрамора делают распределительные щиты и панели в электро­технике. В строительстве мрамор (всех цветов и оттен­ков) используют не столько как конструкционный, сколь­ко как облицовочный мате­риал.

Малорастворимый в воде сульфат кальция выделяется из водных растворов в виде дигидрата CaSО₄ • 2Н₂О — гипса. При нагревании он постепенно отщепляет воду, пере­ходя в алебастр, а затем в ангидрит, который при сильном обжиге превращается в оксосоль, а затем — в оксид:

Гипс имеет сложную структуру: в нем слои, образованные ионами Са²⁺ и S0₄^2- связаны друг с другом молекулами воды. Алебастр имеет сходное строение, но в нем отсутствуют слои из молекул Н₂О. В присутствии воды алебастр быстро превращается в кристаллы гипса, которые, переплетаясь, быстро создают прочную структуру — гипс затвердевает в течение нескольких минут, при этом расширяясь в объеме. На этом основано изготовление гипсовых слепков и отпечатков.

Малорастворимый в воде сульфат кальция легко переходит в раствор при добавле­нии сульфата аммония или концентрированной серной кислоты. Это объясняется об­разованием комплексной кислоты H₂[Ca(SО₄)₂] или ее аммонийной соли.

Гипс используют в производстве цемента, в качестве вяжущего материала в строительстве, медицине, архитектуре. Волокнистый гипс (селенит) — ценный поде­лочный материал.

 

Значительные преимущества перед известью имеет другой вяжущий строительный материал – цемент. Помимо того, что его применением устраняется долговременная сырость зданий, цемент характеризуется способностью затвердевать не только на воздухе, но и под водой. Затвердевание его идет, кроме того, значительно быстрее, чем в случае известкового раствора. Выработка цемента по СССР составила в 1962 г. 57,3 млн. т (против 5,7 млн. г в 1940 г. и 1,5 млн. т в 1913 г.).

Цемент представляет собой зеленовато–серый порошок, состоящий в основном из смеси различных силикатов и алюминатов кальция, преимущественно Ca3SiO5, Ca2SiO4 и Са3 (АlO3)2. Будучи замешан с водой, он дает отвердевающую массу. Переход последней из тестообразного в твердое состояние носит название «схватывания» и осуществляется обычно в течение нескольких часов. С химической стороны процесс схватывания цемента обусловлен главным образом гидратацией его составных частей.

При производстве цемента смесь тонко измельченных известняка и богатой SiO2 глины обжигают до начала спекания (1400–1600 °С) в специальных вращающихся печах (рис. 181). Последние представляют собой слегка наклонные, выложенные внутри огнеупорным кирпичом стальные трубы диаметром 2–3 м и длиной в несколько десятков метров. Печь лежит на роликах и приводится мотором в медленное вращение. В ее верхнюю часть непрерывно вводится исходная смесь, которая при постепенном продвижении вниз все более разогревается за счет тепла сгорающих в печи газов (или каменноугольной пыли). Обожженный продукт (цементный клинкер) после остывания тщательно перемалывается.

Состав цементов выражают обычно в виде весового процентного содержания входящих в них окислов (в основном CaO, SiO2, Al2O3 и Fe2O3). Первый из них играет в цементе роль основания, остальные – роль кислотных ангидридов, весовое отношение СаО / (SiO2 + Al2O3 +Fe2O3) носит название гидромодуля цемента и хорошо характеризует его качества. Числовая величина гидромодуля обычного (силикатного) цемента колеблется около двух.

Схватывание цемента обусловлено в основном реакциями по схемам:

Ca3SiO5 + 5Н2О = Ca2SiO4·4H2O + Са(ОН)2

Ca2SiO4 + 4H2O = Ca2SiO4·4Н2О

Са3(АlO3)2 + 6Н2 О = Са3(АlО3)2·6Н2 О

После первоначального схватывания твердость цемента в течение длительного времени продолжает возрастать. Основной причиной этого является, по–видимому, распространение процессов гидратации в глубь цементных зерен.