Жидкое стекло и кислотоупорный цемент

Жидкое стекло и кислотоупорный цемент относят к воздушным вяжущим.

Жидкое стекло. Сырьем для производства служат чистый квар­цевый песок, кальцинированная сода Na₂CO₃ или сернокислый на­трий Na₂SO₄, реже вторым компонентом является поташ К₂СО₃.

Подготовленную сырьевую смесь сплавляют в стекловаренных печах при температуре 1300...1400 °С. Варят стекломассу 7...10 ч. При быст­ром охлаждении масса твердеет и распадается на куски. Застывшие куски называют силикат-глыбой. Затем силикат-глыбы растворяют паром (в автоклаве) высокого давления 0,5...0,6 МПа при 150 °С. При этих условиях силикат-глыбы легко переходят в жидкое состояние. Этот вязкий раствор и называют жидким стеклом. Таким образом, жидкое стекло— это натриевый Na₂O-nSiO₂ или калиевый К₂О • 7iSiO₂ силикат. Качество жидкого стекла характеризуется показателями — модулем и плотностью. Модуль стекла — это отношение количества оксида кремния к оксиду металла. Чем больше модуль, тем выше качество стекла. Для строительных целей используют чаще натриевое стекло модулем 2,5...3,0, калиевое — модулем 3...4 приме­няют реже. Плотность жидкого стекла 1300...1500 кг/м³ характеризует его концентрацию, твердеет только на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема «SiO₂. Процесс твердения мож­но ускорить, добавив катализатор — кремнефтористый натрий.

Жидкое стекло широко применяют в строительстве: для полу­чения силикатных огнезащитных красок, для защиты природных ка­менных материалов от выветривания, для уплотнения (силикатиза­ции) грунтов, для получения кислотоупорного цемента и бетона.

Кислотоупорный цемент получают совместным тонким помо­лом чистого кварцевого песка и кремнефтористого натрия Na₂SiF₆.

Вяжущим материалом в кислотоупорном цементе является жидкое стекло. Твердение кислотоупорного цемента происходит при темпера­туре воздуха не менее +10 °С. Начало схватывания не ранее 30 мин, конец — не позднее 6 ч. Растворы и бетоны, приготовленные на ки­слотоупорном цементе, обладают высокой стойкостью против действия большинства минеральных и органических кислот, но теряют проч­ность в воде и разрушаются в едких щелочах.

Применяют кислотоупорные цементы для футеровки химиче­ской аппаратуры, возведения башен, резервуаров и других сооруже­ний химической промышленности.

 

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИЗВЕСТЬ

Гидравлической известью (ГОСТ 9179—77) называют гидрав­лическое вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) при 900... 1100 °С мергелистых известняков, содержащих от 6 до 20% глинистых примесей. В процессе обжига часть образующего СаО связывается с составными частями глины А1₂О₃ • SiO₂ Fe₂O₃ • образуя силикаты 2CaO-SiO₂, алюминаты СаО-А1₂О₃ и ферриты кальция 2CaO-Fe₂O₃, придающие извести способность гидравличе­ского твердения: порошок гидравлической извести, затворенный во­дой, после затворения на воздухе продолжает твердеть и под водой.

Температура и режим обжига гидравлической извести зависит от состава и структуры обжигаемого сырья. Кроме глинистых и песча­ных примесей мергелистые известняки содержат 2...5% углекислого магния и некоторые другие примеси. Для получения качественного продукта, необходимо применять мергелистые известняки с возможно более равномерным распределением глинистых и других включений.

Гидравлическую известь гасят водой, гасится она не полностью. Смоченная водой гидравлическая известь гасится и рассыпается в порошок, а залитая водой образует пластичное тесто. Приготовленное тесто дольше суток хранить нельзя, так как оно затвердевает. Гид­равлическую известь делят на слабогидравлическую и сильногидрав­лическую. Слабогидравлическая содержит активных СаО + MgO в пересчете на сухое вещество не менее 15 и не более 60%, сильногид­равлическая — соответственно не менее 1 и не более 15%, так как чем больше содержание свободного СаО, тем меньше у извести способ­ность к гидравлическому твердению.

Негашеная гидравлическая известь представляет собой поро­шок желтоватого цвета. Истинная плотность 2,2...3,0 г/см³, средняя плотность в рыхлом состоянии 500...800кг/м³, в уплотненном — 85О...11ООкг/м³.

Тонкость помола характеризуется остатком на ситах № 02 и 008 соответственно 1 и 10%. Предел прочности при сжатии определяют на образцах в возрасте 28 сут комбинированного твердения (7 сут при влажном воздухе и 21 сут— в воде). Для слабогидравлической извес­ти предел прочности при сжатии не менее 2 МПа, для сильногидрав­лической — не менее 5 МПа.

Применяют гидравлическую известь для приготовления штука­турных и кладочных растворов, предназначенных для сухой и влаж­ной среды, бетонов низких марок. Эта известь дает более прочный раствор, но менее пластичный по сравнению с воздушной известью.

Гидравлическую известь следует хранить в сухих закрытых по­мещениях. На стройку транспортируют в цементовозах, контейнерах или бумажных битуминизированных мешках.

 

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Портландцементом (ГОСТ 10178—85) называют гидравлическое вяжущее вещество — продукт тонкого измельчения цементного клинкера, который получают путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающей в цементе преобладание силикатов кальция.

Для регулирования сроков схватывания цемента при помоле клинкера добавляют до 3,5% гипса по массе цемента. Для получения специальных свойств портландцемента вводят активные минераль­ные добавки.

По производству и применению портландцемент занимает пер­вое место среди других вяжущих веществ. Его широко используют для получения сборного, монолитного железобетона в промышленном, жилищном, гидротехническом, дорожном и других отраслях строи­тельства.

Для производства бетона и растворов требуется ориентировочно несколько тысяч тонн цемента. Область применения цемента крайне широка, поэтому его справедливо называют «хлебом строительства».

Производство портландцемента. Сырье, пригодное для по­лучения портландцемента, должно содержать около 75...78% извест­няка и 22...25% глины. Таким природным сырьем являются известня­ковые мергели, известняки, мел, ракушечник, известняковый туф и глинистые горные породы. С известняковыми породами в состав це­мента вводится оксид кальция СаО, а с глиной — оксиды кремния SiO₂, алюминия А1₂О₃, железа Fe₂O₃, в известняковом мергеле есть

все необходимые оксиды.

В зависимости от способа подготовки сырьевой смеси различают мокрый и сухой способы производства портландцемента.

Мокрый способ производства портландцемента (рис. 17). Сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, под­вергают предварительному измельчению (до размеров не более 5 мм).

Рис. 17 Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом:

1 – шиековая дробилка; 2 – молотковая дробилка; 3 – объединенный склад;

4 – валковая дробилка; 5 – болтушки; 6 – ковшовый питатель;

7 – бункера сырьевых мельниц; 8 – тарельчатые питатели; 9 – сырьевая мельница;

10 – коррекционные вертикальные шламбассейны;

11 – горизонтальные шламбассейны; 12 – вращающаяся печь; 13 – холодильник;

14 – цементные силосы; 15 – упаковочная машина; 16 – отгрузка цемента

 

Твердые породы измельчают в дробилках, а более мелкие (глина, мел) перемешивают в бассейнах — болтушках с водой. Для более тон­кого измельчения компонентов используют шаровые мельницы.

Из мельницы смесь известняка, глины и воды выходит в виде сметанообразной массы — шлама (Н₂О содержит 36...42%).

Шлам насосами подается в коррекционные шламбассейны, представляющие собой стальные или железобетонные резервуары ци­линдрической формы, где окончательно корректируется химический состав шлама. Во избежание расслоения шлам в бассейне перемеши­вают сжатым воздухом. Подготовленный шлам перекачивают в гори­зонтальные шламбассейны большей емкости, в них создается запас шлама на 3...4 сут для бесперебойной работы печей.

Из бассейнов шлам равномерно подается на обжиг во вращаю­щиеся печи. Вращающаяся печь представляет длинный стальной ци­линдр, внутри футерованный огнеупорным материалом. Длина печи 150... 185 м, диаметр до 5 м.

Печь расположена под небольшим уклоном к горизонту (3...4°) и медленно вращается вокруг своей оси. Шлам загружают в верхней стороне печи, и он передвигается к нижнему ее концу. Навстречу ма­териалу перемещаются горячие газы и нагревают его до требуемой температуры. В шламе протекают следующие физико-химические процессы. Вначале масса высыхает и образуются комья. Затем выго­рают органические вещества и начинается дегидратация — удаление химически связанной гидратной воды. При 800...1000 °С происходит интенсивный процесс диссоциации карбоната кальция с образовани­ем оксида кальция и углекислого кальция, который удаляется вместе с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химические ре­акции с оксидами глины.

Наиболее интенсивно реакции химического соединения СаО происходят при 1200.. 1250 °С, при этом образуются двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмо-феррит. При температуре 1300 °С трехкальциевый алюминат ЗСаО • А1₂О₃ и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО • А1₂О₃ • Fe₂O₃

расплавляются и образуют клинкерную жидкость, в которой раство­ряются СаО и 2СаО • SiO₂ с образованием трехкальциевого силиката

3CaO-SiO₂, который кристаллизуется из расплава при 1450 °С.

Трехкальциевый силикат — важнейший минерал клинкера. При по­нижении температуры до 1300 °С жидкий расплав застывает, закан­чивается процесс спекания.

Клинкер представляет собой зерна серовато-зеленого цвета, твердые, размером до 25 мм. Раскаленный клинкер поступает в холодильник, где охлаждается до 80... 100 °С холодным воздухом. Из холо­дильника клинкер поступает на склад, где находится в течение 1...2 нед. За это время снижается твердость зерен клинкера, что в даль­нейшем облегчает помол. Клинкер размалывают совместно с гипсом и активными минеральными добавками в трубных шаровых мельни­цах. Готовый цемент направляется в силосы на 2 нед. Затем цемент упаковывают в бумажные мешки по 50 кг.

ГОСТ 10178—85 предусматривает выпуск трех видов портланд­цемента: ДО — без добавок, Д5 — 5% активных минеральных добавок и Д20 — свыше 5% добавок, но не более 20%.

Сухой способ производства портландцемента применяют, когда сырье имеет невысокую влажность 8... 10%. Сущность технологиче­ских операции не меняется, однако они осуществляются иными приемами. Производство сухим способом проще, чем мокрым: отсутст­вует процесс образования шлама, можно совместить помол сырьевых материалов с подсушкой.

Таким образом, сырьевые материалы дробят, сушат, измельча­ют. Затем сухой порошок гранулируют или формуют в брикеты. Гра­нулы обжигают в циклонных теплообменниках, вращающихся печах, брикеты — в шахтных печах.

В условиях экономии топливно-энергетических ресурсов следует ориентировать цементную промышленность на расширение сухого способа производства.

Наряду с этими двумя основными способами применяют третий, комбинированный. Подготовку сырья осуществляют по схеме мокрого способа, затем полученную жидкую сметанообразную массу (шлам) частично обезвоживают, приготовляют из нее гранулы и обжигают по схеме сухого способа.

Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся тонкость помола, водопроводность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность.

Портландцемент— порошок серо-зеленого цвета со средней плотностью в рыхлом состоянии — 1000... 1100 кг/м³, в уплотненном — 1400...1700 кг/м³, истинная плотность — 3,05...3,15 г/см³

Тонкость помола влияет на скорость схватывания. Чем тоньше измельчен цементный клинкер, тем быстрее и полнее протекает взаимодействие цемента с водой и тем выше будет его прочность.

Тонкость помола можно определить двумя способами:

ситовым анализом;

определением его удельной поверхности.

Удельная поверхность — это величина поверхности зерен (в см²) в 1 г цемента. Остаток на сите № 008 составляет не более 15%. Удельная поверхность должна быть 2500...3000 см²/г.

Водопотребность и нормальная густота. Портландцемент затво­ряют водой. Под водопотребностью понимают то количество воды (в %), которое необходимо ввести в цемент для получения теста нормальной густо­ты. Определение нормальной густоты производят с помо­щью прибора Вика. При испытании нормальной густо­той теста считают такую его конси­стенцию, при кото­рой пестик прибора, погружаясь в коль­цо, заполненное тестом, не доходит до дна кольца на 5...7 мм.

Нормальная густота цементного теста 2 4... 2 8% от массы цемента.

Сроки схва­тывания. Начало схватывания согласно ГОСТу не ранее 45 мин (обычно наступает через 1...2ч). Окончание схватывания не позднее 10 ч от начала затворения (обычно через 4...6ч). Окончание тверде­ния — через 28 сут.

Равномерность изменения объема цемента характеризует его доброкачественность. Данный показатель устанавливают по образ­цам-лепешкам, которые кипятят в воде и выдерживают над паром. Если после испытания на лицевой поверхности лепешек нет трещин, сетки морщин, то цемент считается доброкачественным. При нерав­номерном изменении объема снижается не только предел прочности, но и разрушается цементный камень.

Прочность характеризуется маркой. Марку устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 40x40x160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цёментнопесчаного раствора состава 1:3 (по массе) и испытанных через 28 сут. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называют ак­тивностью цемента.

Согласно ГОСТ 10178—85 портландцемент имеет следующие марки: М400, 500, 550, 600. Условное обозначение портландцемента должно состоять из: наименования вида цемента — портландцемент (ПЦ); марки цемента; содержания добавок; обозначения стандарта.

Например, ПЦ-400Д20 ГОСТ 10178—85 — портландцемент мар­ки 400, добавок 20%.

Коррозия цементного камня. Коррозия портландцемента (в бетонах и растворах) происходит под действием агрессивной среды, создаваемой различными жидкостями и газами.

Различают три основных вида коррозии цементного камня. На практике редко наблюдается разрушение цементного камня под дей­ствием какого-то одного вида. Обычно одновременно протекает не­сколько видов коррозии.

Коррозия первого вида возникает от действия на цементный камень пресных вод.

Пресные воды, соприкасаясь с цементным камнем, растворяют и вымывают выделяющуюся при твердении портландцемента Са(ОН)₂,

которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продук­тами гидратации. Удаляющийся из цементного камня гидроксид кальция разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становят­ся более пористыми и постепенно разрушаются.

Ко второму виду коррозии относятся процессы, происходящие под действием вод, содержащих химические вещества (соли), всту­пающие в обменные реакции с составными частями цементного кам­ня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легкорастворимы и уносятся водой, либо выделяются в аморфном виде, не обладая прочностью. Чаще всего наблюдается коррозия бетона под действием углекислых вод, так как углекислота имеется во многих природных водах.

Вредное влияние на цементный камень оказывает также и со­ляная кислота, которая часто содержится в сточных водах промыш­ленных предприятий и просачиваясь в почву, разрушает подземные бетонные конструкции (фундаменты и др.).

К третьему виду коррозии относятся процессы, связанные с об­разованием малорастворимых продуктов, которые постепенно накап­ливаются в капиллярах, порах и других пустотах цементного камня. По мере увеличения объема этих отложений, цементный камень сна­чала уплотняется, а затем начинает разрушаться. Примером тому служит сульфатная коррозия — разрушение цементного камня под действием вод, в которых растворены соли сульфатов. Вследствие об­менных реакций образуется труднорастворимый гидросульфоалюми-нат кальция (цементная бацилла), который при кристаллизации уве­личивается в объеме до 2,86 раза и разрушает цементный камень.

Меры борьбы с коррозией. Самый надежный способ — примене­ние гидроизоляции, при этом вода не проникает внутрь цементного камня и разрушающих процессов не происходит. Защиту цементного камня осуществляют за счет применения цементов определенного минералогического состава (сульфатостойкий цемент), введения ак­тивных минеральных добавок (пуццолановый и шлакопортландце-мент), тщательного уплотнения бетонной смеси, а также применения защитных облицовок и покрытий — полимерными пленками, битум­ными обмазками, керамическими и стеклянными плитками, которые исключают воздействие агрессивной среды на конструкции.

Применение, транспортирование и хранение цементов. Области применения портландцемента обширны и разнообразны. Высокая прочность, свойство сравнительно быстро твердеть на возду­хе и в воде выдвигают портландцемент на первое место среди других видов цементов. Портландцемент применяют для изготовления бе­тонных и железобетонных конструкций, работающих в подземных, подводных и наземных условиях. Не следует применять его для изго­товления конструкций, подвергающихся действию воды морской, ми­нерализированной или даже пресной — проточной или подаваемой под большим давлением.

Транспортируют портландцемент в крытых или специальных железнодорожных вагонах и в автомобилях-цементовозах, приспособ­ленных для механической разгрузки. Загружают цемент в такие ем­кости главным образом пневматическим способом. Перевозят порт­ландцемент и в многослойных бумажных мешках, которые удобны при транспортировке.

Хранить цемент следует в закрытых складах с плотной крышей, стенами и деревянным полом, возвышающимся над землей. При этом следует учитывать, что при хранении даже в самых благоприятных условиях, активность цемента снижается в результате частичной гид­ратации и карбонизации. При хранении 3 мес активность цемента снижается на 15...20%, через 6 мес — на 20...30%.