Глава 7. Минеральные вяжущие вещества

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛЬНЫХ

ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВАХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Практически ни одно здание и сооружение не строится без при­менения тонкодисперсных материалов, которые при затворении во­дой (или водными растворами) образуют пластичное тесто, способное связывать в монолит каменные материалы и изделия и в процессе твердения превращаться в камень. Такие материалы получили на­звание вяжущие вещества. Строительные вяжущие вещества по со­ставу подразделяются наминеральные (неорганические) и органиче- скиеЛЗ этой главе будут рассмотрены минеральные вяжущие вещества.

Минеральными вяжущими веществами называют порош­кообразные (кроме жидкого стекла) тонкодисперсные вещества, обра­зующие при смешивании с водой (затворении) пластичную массу, спо­собную схватываться, затвердевать и превращаться в искусственный камень.

Схватывание — это физико-химический процесс, при котором плагстичная^масса (тесто) становится вязкой, теряет свою подвиж­ность, но еще не имеет прочности.

Твердение, — это физико-химический процесс, при котором схватившееся тесто набирает прочность и превращается в искусст­венный камень.

Минеральные вяжущие в зависимости от состава и важнейших свойств подразделяются на две основные группы — -воздушные и гидравлические.

Воздушнь^^вяэ/сущие вещества после смешивания с водой спо­собны схватываться, твердеть, сохранять и повышать свою прочность только на воздухе. К этой группе вяжущих относятся воздушная из­весть, гипсовые, магнезиальные вяжущие, жидкое стекло, кислото­упорный цемент.

^J^j^^Su^ecKue вяжущие вещества после смешивания с водой способны схватываться, твердеть, сохранять и повышать свою проч­ность не только на воздухе, но и в воде. К этой группе вяжущих отно­сятся гидравлическая известь, портландцемент, его разновидности, специальные цементы.

Древнейшим естественным вяжущим является необожженная глина. При смешивании с водой она образует пластичное глиняное тесто, которое при высыхании твердеет, прилипает к другим мате­риалам (камню). Однако глина имеет и существенные недостатки: невысокую прочность камня и низкую водостойкость.

Более прочные материалы изготовляют на основе вяжущих ве­ществ, получаемых искусственно — путем обжига.

Негашеная комовая известь имеет плотность 900... 1100 кг/м³ и является полупродуктом. Для получения товарной продукции известь гасят или тонко измельчают (так называемая «смирновская известь» — в честь инженера-новатора, предложившего этот способ).

Гашение извести. Гасят известь водой. Реакция соединения извести с водой протекает очень энергично. Выделяется тепло, резко повышается температура извести и воды, которая может закипеть.

Поэтому негашеную известь называют «кипелкой».

Гидратация происходит по реакции

СаО + Н₂0 = Са(ОН)₂ + Q.

При гашении куски комовой извести увеличиваются в объеме и распадаются на мельчайшие (до 0,001 мм) частицы.

В зависимости от количества взятой для гашения воды получа­ют гидратную известь («пушонку»), известковое тесто или известковое молоко.

Гидро^ представляет собой «пушистый» белый по­

рошок, состоящий из частиц гидроксида кальция.

Для гашения берут 50...70% воды от массы извести. Теоретиче­ский расход воды для гашения извести в пушонку 32,1%. Практиче­ски воды берут в 2,0...2,5 раза больше, так как в результате выделе­ния тепла при гашении происходит парообразование и часть воды удаляется с паром.

Плотность гидратной извести в рыхлом состоянии 400...450, в / уплотненном — ^QQl^.7.0£Lject/mL

В пушонку известь гасят в специальных машинах — гидраторах.

Известковое тесто представляет собой пластическую массу бе­лого цвета плотностью 1400 кг/м³. Для гашения воды берут в три- четыре раза больше, чем извести. Объем теста в 2...3,5 раза превыша­ет объем исходной извести-кипелки. Если объем извести увеличива­ется не менее чем в три раза, известь называют жирной, если не ме­нее чем в 2,5 раза — тощей.

Гашение в известковое тесто осуществляется в специальных из- вестегасильных машинах.

Известковое молоко. Для гашения в молоко берут большое ко­личество воды — в 8... 10 раз превышающее теоретически необходимое.

Твердение извести. Известь твердеет очень медленно и проч­ность известкового камня невелика. Известковое тесто при твердении дает большую усадку и сильно растрескивается вследствие испарения воды. Известковое тесто долго сохраняется в пластичном состоянии, т.е. у извести нет ни начала, ни конца схватывания. Поэтому известь в чистом виде в строительстве не применяется, а используют ее в виде раствора, т.е. в смеси с песком. Песок создает устойчивый скелет пре­дупреждающий усадку и облегчающий выделение воды.

При твердении известкового раствора одновременно протекает несколько процессов.

1. Происходит испарение воды и высыхание извести, уплотня­ется гидроксид кальция, расстояние между мельчайшими частицами Са(ОН)₂ уменьшается — частицы слипаются.

2. Коллоидные системы переходят в кристаллические, образу­ются сростки в виде Са(ОН)₂.

3. Карбонизация извести с образованием кристаллических срост­ков из кристаллов карбоната кальция СаС0₃, происходящая по ре­акции Са(ОН)₂ +С0₂ = CaCOg + Н₂0. При твердении растворов в те­чение 1 мес в обычных условиях прочность при сжатии составляет 0,5... 1 МПа, а в возрасте нескольких десятков лет 5... 7 МПа.

Для ускорения твердения растворных и бетонных смесей с ис­пользованием молотой негашеной извести в их состав вводят хлори­стый кальций, а для замедления твердения в начальный период добавляют гипс, серную кислоту и сульфитно-спиртовую барду.

Свойства воздушной извести. Наиболее важные показатели качества извести: активность — процентное содержание оксидов (СаО + MgO); количество непогасившихся зерен (недожог и пережог); время гашения.

Согласно ГОСТ 9179—77 комовую известь в зависимости от со­держания активных СаО + MgO и количества непогасившихся зерен подразделяют на три сорта:

I сорт содержит активных оксидов не менее 90%, непогасивших­ся зерен до 7%;

II сорт — соответственно не менее 80 и до 11%;

III сорт — не менее 70 и до 14%.

По скорости гашения комовая известь бывает: быстрогасящая- ся — время гашения до 8 мин, среднегасящаяся — время гашения до 25 мин и медленно гасящаяся — время гашения более 25 мин.

Чем выше активность извести, тем быстрее она гасится и тем больше выход известкового теста.

Негашеная комовая известь имеет насыпную плотность 1600...1700 кг/м³. Негашеная молотая известь бывает с добавками (10...20% гидравлических добавок — шлак, зола) и без добавок. Комо­вую молотую известь без добавок подразделяют на три сорта, а с до­бавками — на два; ее насыпная плотность 900... 1100 кг/м³.

Степень измельчения (тонкость помола) -^ТЩня из основных характеристик вяжущего. Тонкость помола извести характеризуется остатками на ситах № 02 и 008, которые должны составлять соответ­ственно 1,5 и 15% от массы просеиваемой пробы.

Прочность воздушной извести стандартом не нормируется, однако не учитывать ее нельзя. Молотая негашеная известь через 28 сут твердения обеспечивает прочность 5 МПа, а пушонка и известковое тесто — 0,5... 1 МПа.

Широкое применение воздушной извести в строительстве обу­словлено простотой ее производства и сравнительно низкой стоимо­стью. Применяют ее для приготовления простых и сложных штука­турных и кладочных растворов с добавкой цемента.

При производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий (блоков для наружных и внутренних стен, панелей перекры­тий, колонн, балок и др.) смешанные известково-цементные растворы отличаются большей пластичностью, чем цементные, и более высокой прочностью, чем известковые. Воздушную известь применяют для по­лучения известково-шлаковых, известково-пуццолановых цементов. Известь в чистом виде или смеси с мелом и красителями используют для побелок и других отделочных работ. В водных красочных соста­вах известь является одновременно белым пигментом и связующим.

При перевозке, хранении и применении воздушной извести необходимо выполнять правила техники безопасности, так как известь — довольно сильная щелочь. Известковая пыль раздражаю­ще действует на органы дыхания и влажную кожу. Работы с известью должны быть механизированы. Тушить пожар водой на складе, где храниться известь, запрещается.

7.3. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Гипсовыми вяжущими веществами называют тонкоизмельчен- ные продукты, получаемые путем тепловой обработки природного гипсового камня, природного ангидрита, а также различных отходов химического производства, способные после затворения водой схваты­ваться, твердеть и превращаться в камень на воздухе.

Сырьем для производства служат: природный гипсовый камень, представляющий двуводный гипс CaS0₄-2H₂0, природный ан­гидрит CaS0₄, отходы химической промышленности — фосфогипс, борогипс.

Фосфогипс — продукт переработки природных фосфатов в фос­форные удобрения. Он состоит из CaS0₄-2H₂0 (80...98%), влаги (до

25%) и примесей фосфатов (0,5...1,2% P₂Os) ^и фтора. Не допускается

высокое содержание Р2О5 (отрицательно влияет на прочность и

твердение).

Борогипс — отход производства борной кислоты и буры. Он со­стоит из CaS0₄ -2Н₂0 (около 76%), кремнезема Si0₂ (до 22%). Отходы фосфогипса и борогипса довольно велики. Их утилизация позволит снизить стоимость основного химического производства и улучшить экологическое состояние окружающей среды.

Гипсовый камень засорен примесями песка, глины, известняка и т.д., цвет от белого до голубовато-серого, твердость по шкале Мооса 1,5...2.

Природный ангидрит сопровождает залежи гипсового камня, более прочный с твердостью 3...3,5, белого, серого или голубоватого цвета; встречается в природе реже, чем гипсовый камень.

В зависимости от вида сырья и принятой технологической схе­мы производства гипсовые вяжущие вещества подразделяют^ на две

групшд: пизкообжпрааы?. (собственно гипсовые) и... высокорМжигояые.

(ангидритовые)^^^.

К~1шзкообжиговым относят строительный, высокопрочный и формовочный гипсы, к высокообжиговым — ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) и высокообжиговый гипс (эстрихгипс).

Строительным гипсом называют воздушное вяжущее вещест­во, полученное путем тепловой обработки гипсового камня при 110— 180 °С и последующего тонкого помола.

Производство строительного гипса. Имеется несколько техно­логических схем: помол сырья и по­следующая тепловая обработка; те­пловая обработка камня и помол после обработки; помол и обжиг со­вмещены в одном аппарате.

Тепловую обработку гипсового камня можно проводить в вароч­ных котлах, сушильных барабанах и мельницах. Наиболее простым и распространенным способом про­изводства строительного гипса яв­ляется тепловая обработка тонко­молотого сырья в гипсоварочном котле периодического действия.

Гипсоварочный котел (рис. 7.2) представляет собой стальной бара­бан (вместимость 12...15 м³), футе­рованный огнеупорным кирпичом. Внутри котла находятся жаровые трубы и. мешалка для перемеши­вания гипса.

Варочные котлы отличаются простотой конструкции и обслужи­вания, позволяют получить вяжущее хорошего качества, так как при варке не происходит непосредственного контакта теплоносителя и гип­сового порошка и он не засоряется продуктами сгорания топлива.

Измельченный в мельнице порошок загружают через загрузоч­ный люк в варочный котел.

Топочные газы подогревают днище и стенки котла, проходят в жаровые трубы и затем попадают в дымовую трубу (продолжитель­ность варки 1...3 ч). Двуводный гипс обезвоживается и превращается в полуводный гипс.

При 110... 180 °С довольно быстро происходит дегидратация гип­сового камня:

CaS0₄ • 2Н₂0 = CaS0₄ • 0,5Н₂0 + 1,5Н₂0.

Таким образом, строительный гипс состоит в основном из полу- в одд ащ. Хй пс a.

После окончания обжига гипс через выгрузочное устройство по­ступает в камеру томления и выдерживается в ней в течение 20...40 мин для выравнивания состава (дегидратация неразложивше- гося природного гипса и переход в полугидрат).

При производстве гипса в сушильных барабанах продукт имеет более высокие прочностные показатели, чем при использовании ва­рочных котлов.

В сушильных барабанах (вращающихся печах) происходит не­посредственное соприкосновение раскаленных топочных газов с дви­жущимся навстречу дробленым гипсовым камнем. Помол гипса по­сле обжига производят в шаровой мельнице.

Производство гипсового вяжущего по совмещенной схеме помо­ла и обжига происходит в мельницах. В мельницах гипсовый камень измельчается, мелкие частицы подхватываются потоком горячих ды­мовых газов, поступающих в мельницу. Частицы, находясь во взве­шенном состоянии, обезвоживаются и превращаются в полуводный гипс. В мельницах обеспечивается непрерывность работы.

Наибольшая производительность обеспечивается при совме­щенном помоле и обжиге гипса, несколько меньшая — при обжиге в сушильном барабане и наименьшая — при варке в котлах. Однако качество гипса в гипсоварочных котлах значительно выше.

Твердение строительного гипса. При твердении затворенно­го водой гипса наблюдаются все процессы, присущие вяжущим веще­ствам, образовавшееся гипсовое тесто большой подвижности вскоре уплотняется и густеет (начало схватывания); при дальнейшем уплотнении масса загустевает, представляя собой твердое тело (конец схватывания).

В дальнейшем процесс сопровождается ростом прочности с об­разованием гипсового камня. Процесс твердения полуводного гипса происходит в результате гидратации полуводного гипса.

Согласно теории твердения академика А.А. Байкова процесс твердения протекает в три периода.

Первый и&ошв^—jрастворение — начинается с момента сме­шивания гипса с водой. Происходит растворение полуводного гипса, одновременное присоединение 1,5 молекулы воды и образование дву- водного гипса. Этот период сопровождается небольшим повышением температуры.

Второй период — коллоидация — соответствует началу схваты­вания! Двуводный гипс менее растворим, чем полуводный, поэтому насыщенный раствор полуводного гипса становится пересыщенным по отношению к двуводному гипсу и последний выпадает из раствора. Вода взаимодействует с полуводным гипсом с прямым присоединени­ем ее к твердому веществу. Образуется коллоидная масса — гель.

Тестообразная масса теряет пластичность в результате коллои- дации, но еще не приобретает механической прочности/

Третий период — кристаллизация — характеризуется перехо­дом коллоидный частиц дву в одного гипса в кристаллический сросток, что сопровождается твердением системы и нарастанием механиче­ской прочности.

Рассмотренные периоды не следуют в строгой последовательно­сти, а налагаются один на другой.

Высыхание твердеющей массы приводит к повышению прочно­сти гипсового камня. QC

Свойства строительного гипса. Строительный гипс пред­ставляет собой белый или светло-серый порошок, ^тинная плот- HOCTi^jy3^ в рыхлом состоянии

j?0Q.., 1 IQQjeo^M^ 145 0JSJYM³; **

Основными свойствами гипса являются тонкость помола, водо-. потребность (нормальная густота), сроки схват^а^ия, пррч^стьГ

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 02. Различают грубый^^ средний и тонкий помол вяжущего. Обозначают каждую группу индексами!, II и III: I — грубый помол, остаток на сите не более 23%, II — средний помол, остаток на сите не более 14%; III — тонкий помол, остаток на сите не более-2%.

Водопотребностъ гипса определяется количеством воды (в %), необходимой для получения теста заданной подвижности.

Реологические свойства теста оценивают в соответствии с мето­дами его укладки в дело. Гипсовое тесто обычно формуют литьем, оно представляет собой вязкопластичную массу, поэтому стандартную

консистенцию (нормальная гус­тота) оценивают стандартным вискозиметром Суттарда (рис, 7.3) по диаметру расплыва теста, вы­текающего из полого цилиндра без дна. Диаметр расплыва теста стандартной консистенции дол­жен быть равен (180 ±5) мм. Нор­мальная густота гипсового теста требует 50...70% воды по массе вяжущего.

Строительный гипс является быстросхватывающимся и быст- ротвердеющим вяжущим веществом. Сроки схватывания определяют на приборе Вика по глубине погружения иглы в гипсовое тесто нор­мальной густоты. Согласно ГОСТ 125-^-79 различают следующие группы гипса: А — быстросхватывающи^ ания не

ранее 2 мин, окончание — не позднее 15 мин); Б — нормально схва_:___

тывающийся (начало схватывания не ранее 6 мин, окончание — не позднее 30 мин); В — медленносхватыва|ощийся (начало схватыва­ния не ранее 20 мин, охсончание не нормируется).

При схватывании и твердении гипс расширяется в объеме до 1%. Способность гипса расширяться позволяет применять его без запол­нителей (в отличие от других вяжущих), не опасаясь растрескивания изделий от усадки.

Быстрое схватывание затрудняет работу с гипсом. В случае необходимости к гипсу добавляют замедлители схватывания в коли­честве 0,1...0,55% по массе гипса (животный клей, столярный клей сульфитно-спиртовая барда и другие органические клееподобные ве­щества). При добавлении замедлителя начало схватывания замедля­ется до 30 мин (прочность снижается до 10%).

При изготовлении гипсовых изделий, иногда возникает необхо­димость ускорения схватывания гипса. В этих случаях к нему добав­ляют природный гипсовый камень или поваренную соль (1% гипса и 0,5% соли).

Прочность гипса характеризуется маркой, которую устанавли­вают по пределу прочности при сжатии образцов-балочек размером 40x40x160 мм, изготовленных из теста нормальной густоты и испы­танных через 2 ч после затворения гипса водой.

Сначала балочки испытывают на изгиб до разрушения, а полу­ченные полубалочки испытывают на сжатие. Установлены следую­щие марки: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Предел прочности при изгибе соответствующих марок меняется

Условное обозначение гипсового вяжущего дает информацию о его основных свойствах. Например, гипсовое вяжущее Г-5 БП: нор­ма льнотвердеющее (Б), среднего помола (П), прочность при сжатии не менее 5МПа.

Гипсовые вяжущие гигроскопичны, имеют низкую водостой­кость. Поэтому прочность гипсовых изделий при увлажнении снижа­ется на 40...60%, их следует применять в помещениях с относительной влажностью воздуха до 60%.

Строительный гипс применяют для изготовления перегородоч­ных плит и панелей, вентиляционных коробов, гипсокартонных лис­тов (сухая штукатурка), акустических плит, для приготовления гип­совых и известково-гипсовых штукатурных растворов, а также для изготовления различных архитектурных деталей методом отливки.

При транспортировании и хранении гипсовые вяжущие долж­ны быть защищены от увлажнения и загрязнения.

Высокопрочный гипс является разновидностью строительного. Отличается от строительного гипса способом тепловой обработки. Теп­ловую обработку двуводного гипса проводят в автоклаве под давлени­ем пара 0,13 МПа при 124 °С в течение 5 ч с последующей сушкой и измельчением в порошок. При этом образуются более крупные кри­сталлы, обусловливающие высокие прочностные характеристики и меньшую водопотребность. Нормальная густота 40...45%, прочность при сжатии не менее 25—30 МПа. Сроки схватывания примерно та­кие же, как и у строительного гипса^-^^^? З^Я^Ь Ф

Используют высокопрочный'гиго в металлургической промыш­ленности для изготовления форм, а также применяют для изготовле­ния архитектурных деталей и строительных изделий повышенной прочности.

7.4. МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

^Магнезиальные вяжущие_м вещества*^ это воздушные вяжущие в виде тонкомолотого порошка, содержащего оксид магния, благодаря которому порошок, затворенный водными растворами хлористого или сернокислого магния, приобретает свойства вяжущего.

К ним относятся каустический магнезит и каустический доло­мит. Каустический магнезит (MgO) (ГОСТ 1216—75) получают путем обжига магнезита при 700...800 °С и последующего тонкого помола.

При обжиге магнезит разлагается:

MgCOg к MgO + С0₂ Т.. ч^У:

Углекислый газ удаляют из печи естественной или искусствен­ной тягой. Готовое вяжущее упаковывают в металлические барабаны.

Каустический доломит (MgCOo -СаС0₃) получают путем обжи­га доломита при 650...750 °С и последующего тонкого помола. При обжиге доломит разлагается:

MgCOg. СаСОд = MgO+С0₂ + СаСОд.

Углекислый кальций при этом не разлагается, остается в инертном виде как балласт, вследствие этого каустический доломит по качеству уступает каустическому магнезиту.

Магнезиальные вяжущие имеют особенности: их затворяют не водой, а водными растворами хлористого магния MgCL • 6Н₂0 или

сернокислого магния MgS0₄; твердеют -^эти вяж}пщие трлько при

положительной температуре более +12 °С. и сравнительно быстро

 

(начало схватывания не ранее 20 мин, окончание—не позднее 6 ч). У каустического доломита сроки схватывания растянуты (начало схватывания через 3...10 ч, окончание — через 8...20 ч); хорошо сцеп­ляются с органическими заполнителями (древесными опилками и стружками).

Прочность каустического магнезита при сжатии 40...60 МПа, каустического доломита — 10...30 МПа. Прочность определяют на об­разцах из трамбованного раствора состава 1:3 в 28-дневном возрасте.

Магнезиальные вяжущие являются очень гигроскопичными, неводостойкими материалами, поэтому в настоящее время имеют ог­раниченное применение.

Применяют эти вяжущие для изготовления ксилолита (матери­ал для полов), фибролита (теплоизоляционный материал), штукатур­ных растворов, искусственного мрамора.

7.5. ЖИДКОЕ СТЕКЛО И КИСЛОТОУПОРНЫЙ ЦЕМЕНТ

Жидкое стекло и кислотоупорный цемент относят к воздушным вяжущим.

для производства служат чистый квар­цевый песок, кальцинированная сода Na₂C0₃ или сернокислый на­трий Na₂S0₄, реже вторым компонентом является поташ К₂СОд.

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 Na₂0 • ^Si0₂ или калиевый

K₂0 -7iSi0₂ силикат. Качество жидкого стекла характеризуется пока-

Ц /

зателями — 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 raSi0₂. Процесс твердения мож­но ускорить, добавив катализатор — кремнефтористый натрий

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

отоупо^тш получают совместным тонким помо­

лом чистотой 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.

7.6. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИЗВЕСТЬ

Jp^zyj^ (ГОСТ 9179—77) называют гидрав­

лическое 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 А1₂0₃ -Si0₂ -Fe₂0₃,

образуя силикаты 2Ca0Si0₂, алюминаты Са0А1₂0₃ и ферриты кальция 2Ca0-Fe₂0₃, 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...800 кг/м³, в уплотненном — 850... 1100 кг/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.

7.7. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Портландцементом (ГОСТ 10178—85) называют гидравлическое вяжущее вещёстЁО' — 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 околдДЁи^18% извещу няка и 22...25% глины. Таким природным сырьем являются известня- изв^стняки^ мел, ракушечник, известняковый туф и глинистые горные породы, С известняковыми породами в состав це­мента вводится оксид кальция СаО, а с глиной — оксиды кремния Si0₂, алюминия А1₂0₃, железа Fe₂0₃, 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. 7.4). Сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, под­вергают предварительному измельчению (до размеров не более 5 мм).

Рис. 7.4. Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом: 1 — шнековая дробилка; 2 — молотковая дробилка; 4. 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 "X

 

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 (Н₂0 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...4⁰) 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 - А1₂0₃ и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО • А1₂0₃ • Fe₂0₃

расплавляются и образуют клинкерную жидкость, в которой раство­ряются СаО и 2СаО • Si0₂ с образованием трехкальциевого силиката

3Ca0-Si0₂, который кристаллизуется из расплава при 1450 °С.

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

Клинк§р представляет собой зерна серовато-зеленого цвета, твеш^ 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.

Минералогический состав клинкера. В результате обжига сырья до спекания при температуре до 1450 °С в клинкере образуют­ся клинкерные минералы: трехкальциевый силикат 3Ca0Si0₂ —

алит (C₃S), двухкальциевый силикат 2Ca0Si0₂— белит (C₂S), трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1₂0₃ (С₃А), четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО- А1₂0₃ -Fe₂0₃ (C₄AF) (C₃S; C₂S; C₃A; C₄AF— со­кращенное обозначение минералов). В клинкере содержится также стекловидная масса переменного состава. От соотношения в клинкере основных клинкерных минералов и зависят главным образом свойст­ва портландцемента.

Клинкерные минералы характеризуются следующими свойствами.

Трехкальциевый силикат 3Ca0Si0₂ (алит) содержится в ко­личестве 45...65%, отличается высокой химической активностью, при­дает цементу свойства быстрого твердения и ранней высокой прочно­сти, обеспечивает получение высокомарочного цемента.

Двухкальциевый силикат 2Ca0-Si0₂ (белит) содержится в ко­личестве 15...40%, менее активен, твердеет медленно, отличается не­значительной экзотермией, придает цементу среднюю прочность, по­вышает стойкость в агрессивных водах, на протяжении нескольких лет набирает прочность.

Трехкальциевый алюминат ЗСа0-А1₂0₃ (2...15%) быстро твер­деет, много выделяет тепла в первые трое суток твердения, но проч­ность дает низкую. Продукт твердения боится воздействия сернокис­лых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО • А1₂0₃ • Fe₂0₃

(10...20%) активнее, чем белит, так как твердеет быстрее и дает боль­шую прочность, но менее прочен, чем алит. Придает цементу темную окраску.

Отличительной особенностью портландцемента является то, что он имеет относительно постоянный химический и минералогический состав, обусловливающий стабильные физико-механические свойства.

Зная данные о минералогическом составе портландцементного клинкера и свойства минералов, можно заранее составить представ­ление об основных свойствах портландцемента и особенностях его твердения в различных условиях.

Твердение портландцемента — сложный физико-химический процесс, в результате которого в цементном камне образуются новые соединения, отсутствующие в цементном клинкере.

Различают три периода твердения портландцемента. Первый период —^ШДЖШЩие^или подготовительный. При соприкосновении цементных зерен с водой поверхностные слои клинкерных минералов вступают с ней в химические реакции. Трехкальциевый силикат под­вергается гидролизу, образуя два новых соединения — гидросиликат кальция и гидроксид кальция по реакции

ЗСаО iSi0₂ + (п + 1)Н₂0 = 2СаО • Si0₂ \ пЯ₂0 + Са(ОН)₂.