Воздушные неорганические вяжущие вещества применяемые в строительстве

Рис.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 в 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).

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.[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.3).

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

 
Рис.3 Шахтная печь: 1 — загрузочное устройство; 2 — отвод газов; 3 — фурма; 4 — выносной горн: 5 — шлаковое окно; 6 — штейновый шпур; 7 — внутренний горн.

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 ... 750°С, 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 успехом используется при производстве гипсовых перегородочных панелей, сухой штукатурки, гипсолитных деталей, вентиляционных коробов, огнезащитных и звукопоглощающих изделий. Широкое использование всех этих изделий обусловливается относительной влажностью воздуха не более 60%, так как увлажнение гипсового изделия всегда связано с понижением прочности и ростом необратимых пластических деформаций (ползучести). Известны определенные меры повышения водостойкости гипса и изделий, например добавлением синтетических смол, пропиткой гидрофобными веществами, интенсивным уплотнением при формовании изделий. Особенно эффективным способом повышения водостойкости является переход к смешанным вяжущим веществам на основе гипса.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс) применяют для изготовления декоративных и отделочных материалов, например искусственного «мрамора», штукатурных растворов, устройства бесшовных полов и подготовки под линолеум.

Особенностью применения магнезиальных вяжущих веществ  является затворение их водными растворами магнезиальных солей, причем начало схватывания наступает не позднее 20 мин, а конец — не позднее 6 ч. Магнезиальные вяжущие вещества имеют хорошее сцепление с органическими заполнителями и применяются для производства ИСК либо с древесными опилками (ксилолита), либо с древесной шерстью — узкой и длинной древесной стружкой (фибролита). Ксилолит используется для изготовления бесшовных полов и облицовочной плитки, фибролит — для производства теплоизоляционных изделий и перегородок помещений в поселковом строительстве.

Воздушная известь — распространенное вяжущее вещество. Растворы из нее  употребляют для каменной кладки. Для этой же цели можно пользоваться и смешанными растворами, состоящими из извести, портландцемента и песка. Они прочнее известковых и пластичнее цементных.

Известковые растворы применяют  также для штукатурных работ  как в смеси со строительным гипсом, так и без него. Извеетково-гипсовые растворы твердеют быстрее известковых, а схватываются медленнее гипсовых. Для штукатурных работ употребляют также известково-цементные растворы. Воздушную известь используют в смеси с активными минеральными добавками для приготовления известково-пуццолановых, известково-шлаковых и ряда других цементов. Известь применяют в качестве вяжущего при производстве известково-песчаных изделий и ряда других бесцементных строительных деталей. В чистом виде или в смеси с мелом и красителями известь служит материалом для побелок, окрасок и декоративных целей.