Неорганические вяжущие вещества

СОДЕРЖАНИЕ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ  

       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. Исключением являются магнезиальные вяжущие, затворяемые водными растворами солей магния, жидкое (растворимое) стекло и кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, затворяемый жидким стеклом.

     Все неорганические вяжущие вещества являются продуктами обжига соответствующего минерального сырья, т. е. они относятся к обжиговым  строительным материалам. Однако ИСК, получаемые на их основе, относятся  к безобжиговым, так как процесс  их отвердевания происходит в условиях обычных температур.

     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.

     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.

     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.

       Кроме воздушных и гидравлических вяжущих  веществ различают группу кислотостойких вяжущих, которые после затвердевания  на воздухе могут длительно сохранять прочность при воздействии минеральных и других кислот (кислотоупорные цементы); различают также вяжущие вещества, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке (температура 175—200° С и давление пара 0,9—1,2 МН/м2 (9—12 атм), к которым относят известково-кремнеземистые и извесково-нефелиновые вяжущие материалы.

       За  последние годы в нашей стране достигнуты большие успехи в теории и практике производства минеральных  вяжущих веществ и создании новых  видов цементов (гидрофобных, цветных, сульфастостойких, быстротвердеющих, особобыстротвердеющих и др). Минеральные вяжущие вещества в зависимости от способности затвердевать в определенной среде и сохранять прочность во времени делятся на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие после затворения их водой могут затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. 

     2. ВОЗДУШНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА 

     К воздушным вяжущим веществам  относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие.

     Гипсовые  вяжущие вещества. 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.<.P> 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.

     Отличительной особенностью гипсовых вяжущих веществ  является их низкий срок схватывания, что вызывает определенное неудобство при производстве строительных работ. По срокам схватывания они разделяются  на быстро-, нормально- и медленнотвердеющие. Для продления сроков схватывания в гипсовое тесто нередко вводят добавки-замедлители, например кератиновый клей, сульфитно-дрожжевую бражку и др. Они адсорбируются частицами гипса, что затрудняет их растворение и начало схватывания.

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

     Воздушная строительная известь. 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, 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.