Неорганические вяжущие материалы

Неорганические вяжущие

Неорганическими вяжущими веществами называются порошкообразные минеральные материалы, которые при смешивании с водой или водными растворами некоторых солей образуют тесто (пластическую массу), способное со временем отвердевать, превращаясь в камневидное тело.

Эту группу вяжущих разделяют на воздушные и гидравлические.

                       Воздушные способны в тестообразном состоянии твердеть и длительно сохранять свою прочность только на воздухе, поэтому они применяются в наземных сооружениях, не подвергающихся воздействию воды. К ним относятся строительная воздушная известь, гипсовые, магнезиальные вяжущие вещества и жидкое стекло.

                       Гидравлические вяжущие вещества способны после предварительного твердения на воздухе продолжать твердеть и в воде, увеличивая со временем свою прочность. Они могут применяться в наземных, подземных, гидротехнических и других сооружениях, подвергающихся воздействию воды. Среди них портландцемент, глиноземистый цемент, шлаковые и пуццолановые смешанные цементы, ряд специальных цементов, а также гидравлическая известь.

                       В отдельную группу нередко выделяют вяжущие вещества, которые наиболее эффективно твердеют при автоклавной обработке с повышенным давлением пара и при высокой температуре. К таким относят известково-кремнеземистые, известково-шлаковые, известко-во-нефелиновые, песчанистые портландцементы и некоторые другие.

Исторические сведения

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.

Продукты, входящие в состав вяжущих.

Среди побочных продуктов в цементной промышленности находят применение главным образом шлаки металлургические и золы, особенно шлаки первичных (доменные) и передельных (мартеновские) процессов, а также шлаки цветной металлургии, топливные и др. По химическому составу они делятся на основные и кислые.

Часто вносят в сырье вещества в виде активных минеральных добавок, как природных, например диатомит, трепел, опоку, трасс, пуццолану, пемзу, туф вулканический, так и искусственных — нефелиновый шлам, цемянку, глиеж (горелые породы), золы, шлаки. Нередко для получения вяжущих используют наполнители — тонко-измельченные кварцевый песок, известняк, доломит, андезит, диабаз, базальт, некоторые шлаки; поверхностно-активные добавки: гидрофильные — ССБ (сульфитно-спиртовая барда) и СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка) и гидрофобные — мылонафт, асидол, омыленный пек, олеиновая кислота и др.; ускорители твердения — хлористый кальций и хлористый натрий, соляная кислота, жидкое стекло, нитрит натрия и др.; замедлители твердения — двуводный гипс, серная кислота, сернокислое железо, клеи, ССБ и СДБ; пластификаторы для улучшения формовочных свойств сырьевого материала— глина, бентонит, трепел, диатомит; интенсифицирующие добавки (при помоле) —антрацит и др.

Сырье бывает одно- и многокомпонентным, составленным из нескольких исходных веществ. При многокомпонентном сырье для лучшего перемешивания и получения более однородной смеси компоненты предварительно совместно или по отдельности измельчают. После полного цикла подготовки сырья — дробления, помола, смачивания, корректирования состава — смесь подвергается термической обработке, или обжигу. При обжиге сырье теряет свободную воду, затем дегидратируется, отдавая химически связанную воду, и диссоциирует, распадаясь на отдельные оксиды. При последующем повышении температуры происходят реакции в твердом состоянии. Сырье изменяет свой химический состав, так как молекулы приходят в состояние с повышенной кинетической энергией — увеличиваются амплитуды и частоты тепловых колебаний: атомы или молекулы одного компонента как бы «отскакивают» со своей кристаллической решетки и присоединяются к атомам и молекулам другого реагирующего компонента при их близком соприкасании.

При последующем повышении температур образуется жидкая фаза, которая ускоряет химические реакции в расплаве. Сырьевая смесь превращается в продукт, наделенный новыми качественными характеристиками. Но для проявления вяжущих свойств потребуется еще перемолоть продукт обжига. Чем выше тонкость помола, чем больше удельная поверхность частиц вяжущего вещества, тем, следовательно, быстрее и полнее пройдут процессы растворения, химического взаимодействия с водой, затворения и образования новых гидратных соединений.

Основные виды неорганических вяжущих материалов

Цемент

Цемент — наиболее распространенный вяжущий материал, позволяющий получать изделия и конструкции высочайшей прочности. Цемент — результат мелкодисперсного измельчения продуктов спекания одного из видов глины — мергеля или смеси известняка и глины. Процесс спекания ведется в специальных печах.

При измельчении к продуктам спекания делаются дозированные добавки гипса, шлака, песка и других компонентов, что позволяет получать цемент с самыми различными свойствами.

В зависимости от исходного сырья и введенных добавок цементы подразделяют на портландцементы и шлакопортландцементы. Среди потрландцементов выделяют быстротвердеющие и портландцементы с минеральными добавками.

Бетонные конструкции, в которых используется та или иная марка цемента могут приобретать уникальные свойства. Прежде всего это особо прочные бетоны, например, для взлетных полос аэродромов и ракетно-стартовых площадок, морозо-, огне- и солеустойчивые марки. Для обозначения максимальных прочностных качеств цемента применяется понятие марка. Марка 400 обозначает, что в заводской лаборатории при пробном испытании затвердевшего цементного кубика с ребром 100 мм при раздавливании на прессе он выдержал нагрузку не менее 400 кг/см2. Наиболее распространенными являются марки от 350 до 500. Изготавливаются же марки цемента до 600-й и даже 700-й марки.

Все цементы имеют достаточно быстрое время твердения. Начало твердения - схватывания - лежит в пределах 40 – 50 мин, а конец твердения около 10 – 12 часов.

Сырье для получения цемента:

Известняк, глина (3:1). Вместо известняка можно вязть мел, вместо глины – мергель (природная смесь известняка с глиной)

Технический процесс получения цемента:

1)                     Добыча глины, известняка

2)                     Приготовление сырьевой смеси

3)                     Обжиг сырья с получением клинкера

4)                     Измельчение клинкера в тонкий порошок

Глину обычно добывают в карьерах открытым способом. Карьерная глина сразу же не пригодна для получения цемента поэтому ее очищают от примесей.

Существует два способа или технологии получения цемента.

1)                     Сухой. Сырье сначала сушат, затем перемешивают между собой, а потом обжигают. Этот способ более экономически выгоден.

2)                     Мокрый способ. Перемешивание сырья происходит в присутствии большого количества воды.

Обжиг сырья происходит в печах, которые представляют собой длинный сварной металлический цилиндр, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом.

Портландцемент

Изобретение портландцемента было запатентовано в 1824 Дж. Эспдином, каменщиком из Лидса (Англия), который дал ему это название, поскольку цемент походил на природный камень, добывавшийся на о. Портленд. Портландцемент по масштабам своего применения уступает лишь стали.

Портландцемент изготавливается совместным тонким измельчением клинкера, гипса и активных добавок. (Клинкер состоит в основном из силикатов кальция и получается обжиганием до спекания сырьевой смеси из известняка и глины.) В работе с портландцементом важное значение имеет проверка качества. Она проводится с образцом чистого цементного теста, помещаемым в автоклав. По увеличению длины образца можно судить о расширении цемента при схватывании. Объемный вес портландцемента в рыхлом состоянии равен 1000 – 1100 кг/м3, а в уплотненном — 1400 – 1700кг/м3. Удельный вес колеблется в пределах 3,05 – 3,15 г/см3.

Прочные цементы. Разработаны цементы, прочность которых выше, чем обычных гидравлических, в том числе и портландцементов, и в отдельных случаях приближается к прочности керамических материалов. Главным принципом при их разработке было уменьшение отношения воды к цементу при сохранении необходимой пластичности цементного теста.

Минералогический состав портландцементного клинкера.

Клинкер состоит из четырех минералов содержание которых влияет на свойства цемента.

1)               3Ca0 * SiO2 – алит, трехкальциевый силикат

C3S – сокращенная форма

Является основным минералом цемента, чем его больше, тем цемент быстрее твердеет и набирает большую прочность т.е. у него более высокая марка.

2)               2CaO * SiO2 – белит, двухкальциевый силикат

Основной минерал цемента, твердеет очень медленно, особенно в начальные сроки твердения, но набирает прочность в течении нескольких лет, в конце твердения может набрать такую же прочность как и алит.

3)               3CaO * AL2O3 –целит

Является второстепенным минералом цемента. Самый активный минерал с реакцией с водой твердеет очень быстро, продукты его твердения непрочные, рыхлые.

4)               4CaO * AL2O3 * Fe2O3 – четырех кальциевый аллюмоферит

Второстепенный минерал цемента, но его скорость твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом.

Известь

Известь выпускается в двух видах:

                      негашеная

                      гидратная.

Негашеная известь получается обжигом известняка CaCO3 в непрерывно действующих печах (при температуре 900 – 1000°C) для удаления диоксида углерода. Негашеная известь имеет марки 4,10,25,50 и служит для приготовления кладочных растворов, а также для изготовления силикатного бетона и кирпича. Гидратная известь Ca(OH)2 производится на заводах путем размельчения комовой негашеной извести, смешивания ее с водой и превращения в сухой хлопьевидный порошок. На строительной площадке негашеную известь необходимо загасить добавлением воды, а затем выдержать (не менее двух недель) перед смешиванием с песком для образования известкового раствора. Гидратную же известь достаточно смешать с песком, чтобы получить раствор. Поскольку она имеет вид порошка, ее легче смешивать с песком. Но раствор из гидратной извести не столь пластичен, как из негашеной. Затвердевание известкового раствора обусловлено поглощением диоксида углерода CO2 из воздуха. При этом избыточная вода испаряется, замещаясь диоксидом углерода, и гидратная известь снова превращается в CaCO3, причем эта реакция протекает только в присутствии избытка влаги. Но известковый раствор не твердеет под водой, так как ему для этого нужен диоксид углерода из воздуха. Раствор для кирпичной кладки содержит около 2,5 части (по объему) песка на 1 часть извести. При производстве штукатурных работ известковый раствор можно наносить на протяжении нескольких дней в три слоя (обрызг, грунт и накрывка), причем последний слой часто делается смесью гидратной извести с гипсовым цементом.

В зависимости  от скорости гашения известь бывает:

1)                     быстрогасящаяся (до 8-ми минут)

2)                     среднегасящаяся (от 8-20 мин)

3)                     медленногасящаяся (более 25 мин)

При обжиге извести может быть брак извести, пережог или недожог.

При пережоге, это когда температура выше 1200оС. Образуются плотные куски извести и неравномерно обожженные.