6.Классификация минеральных вяжущих веществ

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пла­стичное тесто, под влиянием физико-химических процессов пере­ходящее в камневидное состояние. Это свойство вяжущих ве­ществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий. Различают минеральные вяжущие вещества воздушные

и гидравлические.

• Воздушные вяжущие вещества твердеют, долго сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим веществам относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и кислотоупорный цемент, жидкое стекло, глина.

• Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и дли­тельно сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландце­мент и его разновидности, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гидравлическая из­весть. Их используют как в надземных, так и в подземных и под­водных конструкциях.

Вяжущие вещества автоклавного твердения, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке — давлении на­сыщенного пара 0,8...1,2 МПа и температуре 17О...2ОО°С. В груп­пу вяжущих веществ автоклавного твердения входят известково-кремнеземистые и известково-нефелиновые вяжущие.

7 Воздушная строительная известь

• 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 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.

Основным процессом при производстве извести является об­жиг, при котором известняк декарбонизуется и превращается в известь по реакции СаСОз  СаО + СО₂. В заводских условиях температура обжига известняка зависит от плотности известняка, наличия примесей, типа печи и ряда других факторов и составляет обыч­но 11ОО...12ОО°С.

При обжиге из известняка удаляется углекислый газ, состав­ляющий до 44% его массы, объем же продукта уменьшается примерно на 10%, поэтому куски комовой извести имеют порис­тую структуру. Обжиг известняка производят в различных пе­чах: шахтных, вращающихся, в «кипящем слое», во взвешенном состоянии и т. д. Полученный при обжиге карбонатных пород полупродукт носит название комовой извести-кипелки. В дальнейшем она поступает на помол или гашение.

• Молотая негашеная известь с добавками производится 1-го и 2-го сортов и гидратная (гашеная) без добавок и с добавками двух сортов: 1-го и 2-го. Воздушная известь должна удовлетво­рять требованиям табл. 5.4.

В соответствии с требованиями ГОСТ 9179—77 негашеную известь следует измельчать до тонкости, при которой остаток при просеивании пробы через сита № 02 и № 008 должен быть соот­ветственно не более 1,5 и 15%. Обычно заводы выпускают из­весть, характеризующуюся остатками на сите № 008 до 2...7%, что примерно соответствует удельной поверхности 3500... 5000 см²/г.

Молотую негашеную известь применяют без ее предваритель­ного гашения, что имеет ряд преимуществ: исключаются отходы в виде непогасившихся зерен, используется тепло, которое выде­ляется при гидратации извести, что ускоряет процессы твердения извести. Изделия из этой извести имеют и большую плотность, прочность и водостойкость.

Для ускорения твердения растворных и бетонных смесей на молотой негашеной извести в их состав вводят хлористый каль­ций, а для замедления твердения в начальный период (схваты­вания) добавляют гипс, серную кислоту и сульфитно-спиртовую барду- Добавка гипса и хлористого кальция, кроме того, повы­шает прочность растворов и бетонов, а добавки замедлителей твердения предупреждают образование трещин, что возможно при отсутствии определенных условий твердения.

• Гидратная известь. Известь воздушная отличается от других вяжущих веществ тем, что может превращаться в порошок не только при помоле, но и путем гашения — действие воды на кус­ки комовой извести с выделением значительного количества теп­ла по реакции

Стехиометрически для гашения извести в пушонку необходи­мо 32% воды от массы СаО. Практически в зависимости от состава извести, степени ее обжига и способа гашения количе­ство воды берут в 2, а иногда и в 3 раза больше, так как в ре­зультате выделения тепла при гашении происходит парообразо­вание и часть воды удаляется с паром. На скорость гашения извести оказывают влияние температура и размеры кусков комо­вой извести. С повышением температуры ускоряется процесс га­шения. Особенно быстро процесс гашения протекает при гашении паром при повышенном давлении в закрытых барабанах.

В зависимости от скорости гашения различают строительную негашеную известь:

быстрогасящуюся со скоростью гашения не более 8 мин;

среднегасящуюся со скоростью гашения до 25 мин и

медленногасящуюся со скоростью гашения не менее 25 мин. Содержание активных СаО +MgO для гидратной извести должно быть не менее 70%, а влажность — не более 4%.

Гашение извести в пушонку производят в специальных ма­шинах — гидраторах. Для гашения извести-кипелки в известко­вое тесто применяют известегаситель ЮЗ, в котором комовая известь одновременно размалывается, перемешивается с водой до образования известкового молока и сливается в сепаратор-отстойник. После отстаивания известкового молока образуется известковое тесто. Нельзя применять известковое тесто с большим содержанием непогасившихся зерен извести, так как гашение этих зерен может произойти в кладке, что приведет к растрескиванию затвердевшего известкового раствора.

Твердение извести может происходить только в воздушно-сухих условиях. Испарение воды (что имеет место при этом) вы­зывает слипание мельчайших частиц Са(ОН)2 в более крупные и их кристалллзацию. Кристаллы Са(ОН)₂ срастаются друг с другом, образуя каркас, окружающий частицы песка. Наряду с этим происходит карбонизация гидрата оксида кальция за счет поглощения углекислоты воздуха по реакции

Са (ОН)₂ + СО₂ + пН₂О = СаСОз + (п + 1) Н₂О

Таким образом, твердение известковых растворов есть след­ствие их высыхания и образования кристаллического сростка Са(ОН)₂, а также процесса образования углекислого кальция на поверхности изделия. Твердеет гашеная известь медленно, и прочность известковых растворов невысокая. Это объясняется тем, что кристаллизация гидрата оксида кальция происходит не интенсивно и кристаллы слабо связаны друг с другом. Кроме того, образовавшаяся на поверхности корка СаСОз препятствует прониканию воздуха внутрь известкового раствора и тормозит дальнейшее развитие процесса карбонизации. Гидрат оксида кальция кристаллизуется тем быстрее, чем интенсивнее испаря­ется вода, поэтому для твердения извести необходима положи­тельная температура.

Воздушную известь широко применяют для приготовления строительных растворов в производстве известково-пуццолановых вяжущих, для изготовления искусственных каменных мате­риалов — силикатного кирпича, силикатных и пеносиликатных изделий, шлакобетонных блоков, а также в качестве покрасоч­ных составов.

Транспортируют комовую известь навалом, защищая от увлажнения и загрязнения, а молотую — в специальных бумаж­ных мешках или металлических закрытых контейнерах. Известко­вое тесто перевозят в специально для этого приспособленных кузовах самосвалов. Известь негашеная должна храниться в за­крытых складах, защищенных от попадания влаги. Гидратную известь можно хранить непродолжительное время в мешках и сухих складах. Молотую известь не следует хранить более 30 сут, так как она постепенно гасится влагой воздуха и теряет актив­ность.

1. комовая известь

2. известков тесто, извест молоко

3. гидратная известь (пушенка)

4. молотая негашеная известь(кипелка)

10Портландцемент. Производство портландцемента, состав

• Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твер­деющее в воде и на воздухе. Его получают тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм назы­вается клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Для регулирования сроков схватывания в обычных цементах марок 300...500 при помоле к клинкеру добавляют гипс не ме­нее 1,0% и не более 3,5% от массы цемента в пересчете на ан­гидрид серной кислоты SO3, а в цементах высокомарочных и быстротвердеющих — не менее 1,5% и не более 4,0%. Портландцемент выпускают без добавок или с активными минеральными

добавками.

Клинкер. Качество клинкера зависит от его химического и минералогических составов. Для производства портландцементного клинкера применяют известняк и глину. Известняк в основ­ном состоит из двух оксидов: СаО и СО₂, а глина — из различ­ных минералов, содержащих в основном три оксида: SiO₂, A1₂O₃ и Fe₂O3. В процессе обжига сырьевой смеси удаляется СО2, a оставшиеся четыре оксида: СаО, SiO2, Аl2Оз и Fe₂O3 — образуют клинкерные минералы. Содержание оксидов в цементе примерно следующее: 64...67% СаО, 21...24% SiO₂, 4...8% А1₂О₃, 2...4%

Fe₂O₃.

Кроме указанных основных оксидов в портландцементном клинкере могут присутствовать MgO и щелочные оксиды К₂О и Na₂O, снижающие качество цемента. Оксид магния, обожжен­ный при температуре около 1500°С, при взаимодействии с водой очень медленно гасится и вызывает появление трещин в уже за­твердевшем растворе или бетоне, поэтому содержание оксида магния в портландцементе не должно быть более 5%. Наличие в цементе щелочных оксидов выше 1 % может вызвать разруше­ние отвердевшего бетона на таком цементе.

Указанные выше основные оксиды находятся в клинкере не в свободном виде, а образуют при обжиге четыре основных ми­нерала, относительное содержание которых в портландцементе следующее (%):

трехкальциевый силикат 3CaO-SiO₂ (алит) — 45...60;

двухкальциевый силикат 2CaO-SiO₂ (белит) —20...35;

трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1₂Оз — 4...12;

четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО-А1₂Оз-Ре₂Оз—10...18.

Сокращенное обозначение этих минералов следующее: C3S, C₂S, C3A и C₄AF.

• Алит (C3S) — основной минерал клинкера, быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания проч­ности портландцемента.

• Белит (P-C₂S) —медленно твердеет и достигает высокой прочности при длительном твердении.

Содержание минералов-силикатов в клинкере в сумме состав­ляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет свойства портландцемента. Оставшиеся 25% объема клинкера между кристаллами алита и белита заполнены кри­сталлами СзА, C4AF, стекла и второстепенными минералами.

Трехкальциевый алюминат (СзА) Он очень быстро гидратирует и твердеет. Продукты гидратации имеют по­ристую структуру и низкую прочность. Кроме того, СзА явля­ется причиной сульфатной коррозии цемента, поэтому его содер­жание в сульфатостойком цементе ограничено 5%.

• Четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF) —По скорости гидрата­ции этот минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом и не оказывает определяющего значения на скорость твердения и тепловыделение портландцемента.

Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в количестве 5... 15%, которое в основном состоит из СаО, А1₂О₃, MgO, K2O и Na₂O.

При правильно рассчитанной и тщательно подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать свободного оксида кальция СаО, так как пережженная при тем­пературе около 1500°С известь, так же как и магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может при­вести к растрескиванию уже затвердевшего бетона.

• Производство портландцемента. Сырье для производства портландцемента должно содержать 75...78% СаСОз и 22...25% глинистого вещества.. В качестве топлива применяют природный газ, сокращается использование каменного угля и мазута.

Технологический процесс производства портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины, подготовки сырьевых материалов и корректирующих добавок, приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига смеси и измельчения клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом, а иногда с добавками.

В зависимости от приготовления сырьевой смеси различают два основных способа производства портландцемента: мокрый и сухой. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде. В последнее время все шире начинает применяться комбинированный спо­соб приготовления сырьевой смеси, по которому сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы, которые обжигают по сухому способу.

1. В зоне испарения при постепенном повышении температуры с 70 до 200°С испаряется влага; сырьевая смесь подсушивается. Подсушенный материал комкуется. Перемещаясь, комья распа­даются на более мелкие гранулы. В печах сухого способа зона испарения отсутствует.

2. В зоне подогрева при постепенном нагревании сырья с 200 до 700°С выгорают органические примеси, из глиняных минера­лов удаляется кристаллохимическая вода (при 450...500°С) и образуется безводный каолинит Al2O3*2SiO2. Зоны испарения и подогрева при мокром способе занимают 50...60% длины печи.

3. В зоне декарбонизации температура обжигаемого материала повышается с 700 до 1100°С; происходит диссоциация карбона­тов кальция и магния с образованием свободных СаО и MgO. Одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды SiO2, AI2O3, Fe2O₃, которые вступают в химическое вза­имодействие с СаО. В результате этих реакций, происходящих в твердом состоянии, образуются минералы ЗСаО-АЬОз, СаО-АЬОз и частично 2CaO-SiO2.

4. В зоне экзотермических реакций при температуре 1200... 1 300°С завершается процесс твердофазового спекания материа­ла, образуются ЗСаО-А1₂О₃, 4СаО-Al20₃-Fe₂0₃ и белит, резко уменьшается количество свободной извести, но достаточное длянасыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого.

5. В зоне спекания при температурах 1300...1450...1300°С проис­ходит частичное плавление материала (20...30% обжигаемой смеси). В расплав переходят все клинкерные минералы, кроме 2CaO-SiO2, все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. Алит кристаллизуется из расплава в результате растворения в нем оксида кальция и двухкальциевого силиката. Это соединение плохо растворимо в расплаве, вследствие чего выделяется в виде мелких кристаллов, которые в дальнейшем растут. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию из расплава ЗСаО-А1₂О₃, 4СаО-Al₂O₃-Fe₂O3 и MgO которая заканчивается в зоне охлаждения.

6. В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С, здесь полностью формируются его структура и состав, включающий алит C3S, белит C2S, СзА, C₄AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие. Границы зон во вращающейся печи достаточно условны и не являются стабильными. Меняя режим работы печи, можно смещать зоны и регулировать тем самым процесс обжига.

Образовавшийся таким образом раскаленный клинкер посту­пает в холодильник, где резко охлаждается движущимся на­встречу ему холодным воздухом. Клинкер, выходящий из холо­дильника вращающихся печей с температурой около 100°С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования), где он находится до 15 дней. Если известь содержится в клинкере в свободном виде, то в те­чение вылеживания она гасится влагой воздуха. На высокоме­ханизированных заводах с четко организованным технологиче­ским процессом качество клинкера оказывается настолько высо­ким, что отпадает необходимость его вылеживания.

Помол клинкера совместно с добавками производят в труб­ных многокамерных мельницах.

Тонкое измельчение клинкера с гипсом и активными мине­ральными добавками в тонкий порошок производится преиму­щественно в сепараторных установках, работающих по открыто­му или замкнутому циклу.

Готовый портландцемент (с температурой 100°С и более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаж­дения. После этого его расфасовывают по 50 кг в многослойные бумажные мешки или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт