Неорганические и воздушные вяжущие вещества. Производство и применение
Кафедра экономика и управление на предприятии (в городском хозяйстве).
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине «Теоретические основы прогрессивных
На тему: «Неорганические и воздушные вяжущие вещества. Производство и применение»
1. Неорганические вяжущие вещества
1.1 Общие сведения и классификация
1.2 Воздушные вяжущие вещества
1.3 Гидравлические вяжущие вещества
2. Производство и применение вяжущих веществ
2.1 Основа производства неорганических вяжущих веществ
2.2 Производство воздушных вяжущих веществ
2.3 Применение воздушной извести, магнезиальных и гипсовых веществ
3. Инновационные технологии
3.1 Что такое инновация
3.2 Способ получения влагостойких изделий на основе гипса
3.3 Способ получения портландцемента
Список использованных источников
В штукатурных растворах применяют неорганические вяжущие вещества, заполнители, воду и различные добавки. Для декоративных штукатурок в качестве заполнителя применяют каменную крошку, получаемую дроблением природного камня, пигменты для придания раствору заданного цвета.
Вяжущие вещества — строительные материалы, применяемые для изготовления бетонов и растворов. Вяжущие вещества, применяемые в штукатурных работах, подразделяются на три основные группы: минеральные (воздушные и гидравлические); органические и смешанные со специальными свойствами.
Вяжущие материалы разделяют также на марки. Марка вяжущего характеризует его прочность при сжатии при стандартном методе испытания.
Вяжущие материалы различают и по скорости твердения. Наибольшей быстротой твердения обладают гипсовые вяжущие (несколько часов). Медленнее других твердеет воздушная известь (в течение нескольких месяцев).
Неорганические вяжущие вещества появились примерно за 3 . 4 тыс. лет до н.э. Тогда получали их путем обжига гипсового камня, известняков и применяли при возведении сооружений. Для повышения водоустойчивости к вяжущим веществам прибавляли тонкоизмельченные минеральные порошки, например вулканические пеплы и пемзу.
В России первые руководства по изготовлению неорганических веществ появились в XVIII в. Они обобщали опыт русских ученых с описанием способов получения строительного гипса и гидравлической извести. Так, В. М. Севергин доказывал целесообразность использования известняков с глинистыми примесями, а также мергелистых пород для получения водоустойчивых вяжущих веществ. В Петербургском институте путей сообщения в 1822 г. проф. Шарлевилем были опубликованы научные исследования мергелистых пород для получения гидравлической извести и цементов. Автор указывал, что при обжиге таких пород или смесей известняков и глин возникают химические взаимодействия между составными частями. Принципиально новым явились основные положения технологии производства гидравлического вяжущего, изложенные в работе Е. Г. Челиева, опубликованной в 1825 г. Он рекомендовал температуру обжига сырьевой смеси из известняков и глин свыше 1100. В работе Челиева содержатся основные элементы современной технологии цементов.
В физико-химические основы производства огромный вклад внесли труды Д. И. Менделеева, а также работы А. Р. Шуляченко,. И. Г. Малюги, Н. Н. Лямина, Н. А. Белелюбского, В. Н. Черномского и других в конце XIX и начале XX в. Сырьевой базой для производства неорганических вяжущих веществ являются горные породы и побочные продукты промышленности. Среди горных пород для этих целей используют сульфатные — гипс и ангидрит; карбонатные — известняк, мел, известковые туфы, ракушечник, мрамор, доломиты, доломитизированные известняки, магнезит; мергелистые — известковые мергели; алюмосиликатные — нефелины, глины, глинистые сланцы; высокоглиноземистое сырье — бокситы, корунды и др.; кремнеземистые горные породы — кварцевый песок, трассы, вулканический пепел (пуццолана), диатомит, трепел, опока.
1. Неорганические вяжущие вещества
1.1 Общие сведения и классификация
Вяжущие вещества – вещества, выполняющие функцию цементирующего компонента. По происхождению вяжущие вещества могут быть как органическими, так и неорганическими.
Вяжущие – вещества, способные затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зёрна песка, гравия, щебня. Это свойство вяжущих используется для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожжённых искусственных материалов; строительных растворов – кладочных, штукатурных и специальных.
Вяжущие вещества по составу делятся на
1. неорганические (известь, цемент, строительный гипс, жидкое стекло и др.), которые затворяют водой (реже водными растворами солей). Включают: вяжущие воздушные, вяжущие гидравлические, вяжущие автоклавного твердения.
2. органические (битумы, дёгти, животный клей, полимеры), которые переводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях.
Органические вяжущие вещества представляют собой природные пли искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при нормальной температуре) продукты, способные изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. В зависимости от химического состава, вида сырья и технологии производства органические вяжущие вещества разделяют на битумы и дёгти. На основе битумов и дёгтей изготовляют другие вяжущие вещества (битумно-дёгтевые) и материалы в виде эмульсий и паст (при температуре не ниже 2° С эмульсии имеют жидкую консистенцию, пасты до состояния, текучести разбавляются водой), асфальтовых лаков, асфальтовых растворов и бетонов. Битумы и дегти применяют также для изготовления рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов.
Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичную удобообрабатываемую массу, затвердевающую со временем в камневидное прочное тело.
По составу, основным свойствам и областям применения различают вяжущие материалы: гидравлические, воздушные, кислотоупорные и автоклавного твердения. Каждую из этих групп в свою очередь делят на несколько разновидностей в соответствии с составом и основными свойствами.
Гидравлические вяжущие вещества (цементы) способны при затворении водой после предварительного затвердевания на воздухе продолжать твердеть в воде, сохраняя и наращивая свою прочность. По виду клинкера и вещественному составу различают: Цементы на основе портландцементного клинкера (портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемеит, пуццолановый портландцемент) и цементы на основе глиноземистого клинкера (глиноземистый, высокоглиноземистый и гипсоглиноземистый)(рис.1.1.)
Воздушные вяжущие вещества при затворении водой схватываются, твердеют и превращаются в камень только на воздухе. Образовавшийся камень длительно сохраняет прочность также только в воздушной среде. Такие материалы применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды. К этой группе относятся строительная воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.
Кислотоупорные вяжущие вещества после затвердевания на воздухе могут длительное время сохранять прочность при действии на них минеральных кислот. Их применяют в тех случаях, когда затвердевший материал работает в кислой среде. К этой группе вяжущих принадлежит кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент и др.
Вяжущие вещества автоклавного твердения превращаются в камень лишь при автоклавной (гидротермальной) обработке при давлении насыщенного пара 0,9—1,3 МПа и температуре 440— 470 К, например известково-кремнеземистые вяжущие.
К основным свойствам вяжущих веществ относятся плотность, насыпная плотность, водопотребность, скорость схватывания и твердения, прочность.
Плотность зависит от вида вяжущего. Выше всего она у негашеной извести — 3,1—3,3 г/см3 и портландцемента — 3—3,2 г/см3, ниже всего у гипсовых вяжущих — 2,6—2,7 г/см3.
Насыпная плотность тем ниже, чем меньше плотность и больше тонкость измельчения вяжущих. Насыпная плотность портландцемента в рыхлонасыпном состоянии — 900—1100 кг/см3.
Водопотребность характеризуется количеством воды, необходимым для получения теста стандартной консистенции (нормальной густоты). Чем ниже водопотребность, тем выше качество вяжущих, больше его прочность. Наиболее низкая водопотребность у портландцемента— 24—28%, наиболее высокая у гипсовых вяжущих — 50—80%.
Сроки схватывания определяют период, в течение которого смесь вяжущего вещества с водой сохраняет свою пластичность. Особенно быстро схватываются гипсовые вяжущие: начало схватывания — 4—5 мин, конец—через 10—15 мин после затворения водой. Очень медленно схватывается гидратная известь — через 3—5 сут. Гидравлические вяжущие (цементы) в соответствии с ГОСТ 23464—79 по срокам схватывания классифицируют на медленносхватывающиеся (с началом схватывания более 1 ч 30 мин); нормальносхватывающиеся (с началом схватывания от 45 мин до 1 ч 30 мин) и быстросхватывающиеся (с началом схватывания менее 45 мин).
Скорость твердения определяют интенсивностью реакций взаимодействия вяжущего вещества с водой. У гипсовых вяжущих она составляет 1—2 ч. Твердение гашеной извести протекает годами и десятилетиями. Цементы по скорости твердения различают: обычные (с нормированием прочности в возрасте 28 сут), быстротвердеющие (с нормированием прочности в возрасте 1 и 28 сут), особо •быстротвердеющие (с нормированием прочности в возрасте 1 сут :.и менее).
Прочность характеризует способность вяжущего вещества после затвердевания воспринимать без разрушения сжимающие, растягивающие и другие внешние нагрузки. Чем выше прочность камня и чем быстрее она достигается, тем-выше качество вяжущего. Прочность искусственного камня зависит от многих факторов: вида вяжущего, степени его измельчения, водопотребности, условий и длительности твердения. Для большинства гидравлических вяжущих прочность оценивают испытанием на изгиб балочек 40x40X160 мм и их половинок на сжатие из раствора 1 : 3 при водоцементном отношении 0,4 в возрасте 28 сут. По прочности различают цементы: высокопрочные (М550, 600 и выше), повышенной прочности (М500), рядовые (М300 и 400), низкомарочные (ниже М300). Высокой прочностью характеризуются также вяжущие автоклавного твердения. Прочность воздушных вяжущих значительно ниже (5—20 МПа).[1]
1.2 Воздушные вяжущие вещества
Воздушные вяжущие вещества в результате смешивания с водой способны отвердевать и сохранять прочность только на воздухе. Под воздействием воды изделия на их основе постепенно разрушаются. Поэтому воздушные вяжущие вещества используются только в наземных строительных сооружениях.
В группу воздушных вяжущих входит воздушная известь, а также гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества.
Воздушная известь может быть нескольких видов: негашеная комовая известь, негашеная молотая известь, гидратная известь (пушонка).
Гипсовые вяжущие вещества изготовляют из гипсового камня, представляющего собой, в основном, двуводный гипс — CaS04·2H20, ангидрита, состоящего главным образом из безводного гипса — CaS04, и некоторых отходов химической промышленности, содержащих преимущественно двуводный или безводный сульфат кальция. Химически чистый двуводный гипс состоит из 32,56% СаО; 46,51% S03 и 20,93% воды, а ангидрит—из 41,19% СаО и 58,81% S03. Двуводный гипс — мягкий минерал, его твердость по шкале Мооса равна 2. Твердость ангидрита колеблется в пределах 3—3,5. Плотность двуводного гипса 2,2—2,4, а ангидрита — 2,9—3,1. Растворимость двуводного гипса, пересчитанного на CaS04 в воде, равна 2,05 г в 1 л воды при 20 °С. Растворимость ангидрита— 1 г на на 1 л воды.
Известны два магнезиальных вяжущих вещества: каустический магнезит и каустический доломит. Каустическим магнезитом называется продукт, получаемый обжигом магнезита (MgC03) с последующим его измельчением в тонкий порошок. Каустический доломит отличается от каустического магнезита тем, что сырьем для его изготовления служит не магнезит, а доломит (CaC03·MgC03). Оба эти вяжущие вещества затворяют раствором хлористого магния, сернокислого магния или некоторых других солей.
Магнезит (горький шпат) встречается в природе в двух видах — кристаллическом и аморфном. Твердость обоих видов магнезита по шкале Мооса колеблется в пределах 3,5—4,5; плотность 2,9—3,1. Теоретический состав магнезита 47,82% MgO и 52,18% С02.
Природный магнезит всегда содержит различные примеси: глину, углекислый кальций и др. В зависимости от примесей он бывает белого, желтого, серого is другого цвета. Для аморфного магнезита характерны примесь кремнезема и отсутствие примесей соединений железа. В природе магнезит встречается реже, чем известняк и доломит.
Доломиты являются распространенной горной породой. Твердость доломита по шкале Мооса 3,5—4; плотность 2,85—2,95. Теоретическое содержание в доломите СаСОз — 54,27%; MgC03 —45,73% или в окислах: СаО —30,41%; MgO —21,87% и С02 — 47,72%.
Природный доломит имеет обычно некоторый избыток углекислого кальция. Кроме того, в доломите встречаются глинистые и другие примеси. Цвет доломита белый, желтый и буроватый, в зависимости от примесей, главным образом железистых соединений.
Известь воздушная – воздушное вяжущее, получаемое путем обжига дробленых известковистых пород (известняка, мела, ракушечника и т. д.), содержащих не более 6% глинистых компонентов. Получаемая известь носит название комовой, а после измельчения – молотой.
Строительную известь получают путем обжига (до удаления углекислоты) из кальциево-магниевых горных пород — мела, известняка, доломитизироваиных и мергелистых известняков, доломитов. Для производства тонкодисперсной строительной извести гасят водой или размалывают негашеную известь, вводя при этом минеральные добавки в виде гранулированных доменных шлаков, активные минеральные добавки или кварцевые пески. Строительную известь применяют для приготовления строительных растворов и бетонов, вяжущих материалов и в производстве искусственных камней, блоков и строительных деталей. В зависимости от условий твердения различают строительную известь воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и гидравлическую, обеспечивающую твердение растворов и бетонов и сохранение ими прочности как на воздухе так и в воде. Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного оксида бывает кальциевая, магнезиальная и доломитовая. Воздушную известь подразделяют на негашеную и гидратную (гашеную), получаемую гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой извести. Гидравлическую известь делят на слабогидравлическую и сильногидравлическую. Различают гидравлическую известь комовую и порошкообразную. Порошкообразная известь бывает двух видов: молотая и гидратная (гашенная вода). Комовую известь выпускают без добавок и с добавками. Строительную негашеную известь по времени гашения делят на быстрогасящуюся — не более 8 мин, среднегасящуюся — не более 25 мин, медленногасящуюся — более 25 мин. Строительную воздушную известь получают из кальциево-магниевых карбонатных пород. Технологический процесс получения извести состоит из добычи известняка в карьерах, его подготовки (дробления и сортировки) и обжига. После обжига производят помол комовой извести, получая молотую негашеную известь, или гашение комовой извести водой, получая гашеную известь.[4]
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.
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.
Гипс высокообжиговый (эстрихгипс) при температурах обжига (800 . 950°С) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Начало схватывания наступает не ранее 2 ч, предел прочности при сжатии составляет 10 . 20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем у гипсовых вяжущих и ангидритового цемента.[8]
Сырьем для производства воздушной извести служат плотные известняки, ракушечники, мел, доломитизированные известняки при условии, что содержание глинистых примесей в них не превышает 6%. Сырье обжигают при температуре 1000 . 1200°С до полного удаления углекислого газа. Обжиг известняка производится в печах различных конструкций: шахтных, вращающихся, с «кипящим» слоем, в циклонно-вихревых печах во взвешенном состоянии, а также на движущихся агломерационных решетках. Распространен обжиг в шахтных печах, которые надежны в эксплуатации, позволяют использовать местные виды топлива и требуют меньшего его расхода. (рис. 2.3.)
Рис.2.3.Шахтная печь: 1 — загрузочное устройство; 2 — отвод газов; 3 — фурма; 4 — выносной горн: 5 — шлаковое окно; 6 — штейновый шпур; 7 — внутренний горн.
После обжига получают комовую известь или известь-кипелку (так ее называют из-за бурной химической реакции с водой). Это вещество обладает сильно развитой внутренней микропористостью и большим запасом свободной внутренней энергии, что проявляется при гашении комовой извести, т. е. присоединении воды с выделением большого количества теплоты.
Известняки при обжиге разлагаются на известь СаО и углекислый газ, который полностью удаляется. Реакция разложения известняка обратимая. Молекулярная масса СаСОз составляет 100, а извести — 56, т. е. 44% массы теряется с углекислым газом, поэтому комовая известь обладает значительной пористостью.
Признаком высокого качества извести является высокое содержание в ней СаО + MgO. Недожог и пережог извести в печи снижают ее качество. Особенно опасен пережог — остеклованная известь. Частицы пережога медленно гасятся с увеличением в объеме и могут вызвать трещины в штукатурке и изделиях.
Содержание чистых окислов CaO + MgO в общем количестве извести называют ее активностью. По активности и содержанию непогасившихся зерен определяется сорт извести.
Если комовую известь измельчить, получится молотая негашеная. Более распространена в строительстве известь гашеная, получаемая путем затворения водой негашеной извести.
При выделении теплоты часть воды гашения превращается в пар, под воздействием которого комовая известь превращается в тончайшие частицы гидратной извести размером в несколько микрон с высокой удельной поверхностью.
Гашение извести производится в условиях стройплощадки в творильных ящиках с сеткой для сцеживания разжиженного известкового теста (известкового молока) в гасильную яму, где оно выдерживается длительное время. В заводских условиях известь гасят в специальных барабанных гасителях. Гашение извести производят в пушонку или в известковое тесто. При расходе воды 1 л на 1 кг извести комовой известь превращается в тонкий рыхлый порошок со значительным увеличением в объеме; при расходе воды 2 . 3 л на 1 кг извести получается известковое тесто, что тоже сопровождается увеличением в объеме. Для получения из пушонки известкового теста ее разбавляют водой. Обычно содержание воды в известковом тесте составляет примерно 50% (по массе). Гашеная известь медленно схватывается и твердеет, обладает низкой прочностью, поэтому кроме гашеной извести в строительстве применяют известь негашеную. По содержанию оксида магния в извести она подразделяется на кальциевую (MgO<5%), магнезиальную (MgO = 5 . 20%) и доломитовую (MgO = 20 . 40%); по времени гашения различают известь быстрогасящуюся (время гашения < 8 мин), среднегасящуюся (время гашения 8 . 25 мин) и медленногасящуюся (время гашения не менее 25 мин).
Сырьем для магнезиальных вяжущих служат магнезит и доломит. Обжиг магнезита производится при температуре 750 . 800°С (во вращающихся печах до 1000°С) до полного разложения MgСОз на MgO и СО2 с удалением углекислого газа. После помола MgO представляет собой воздушное вяжущее вещество, называемое каустическим магнезитом, оно имеет предел прочности при сжатии 40 . 60 МПа, достигая иногда до 100 МПа.
Обжиг доломита производят при более низких температурах <в интервале 650 . 750сС, так как при повышении температуры обжига начинает разлагаться и СаСОз с образованием извести.[10]
2.3 Применение воздушной извести, магнезиальных и гипсовых веществ
Рассмотренные разновидности гипсовых вяжущих веществ применяют для различных целей. Строительный и формовочный с большим