Материалы на основе неорганических вяжущих веществ

Минеральные вяжущие вещества. Общие сведения

Минеральные вяжущие представляют собой порошкообразные вещества, способные при смешивании с водой (иногда с растворами солей) образовывать вязкопластическую легкоформируемую массу, постепенно затвердевающую в камневидное тело.

В строительстве вяжущие чаще всего используют в смеси с заполнителями для экономии вяжущего и улучшения некоторых свойств искусственного камня. Различают следующие виды смесей на основе вяжущих веществ:

- вяжущее тесто – смесь вяжущего (гипса) с водой; отвердевшее гипсовое тесто называют гипсовым камнем.

- бетонная смесь, включающая в себя вяжущие, воду, песок, щебень (или гравий); затвердевшую бетонную смесь называют бетоном.

- растворная смесь, состоящая из вяжущего, воды и песка; после затвердевания смеси образуется строительный раствор.

Минеральные вяжущие, в зависимости от их способности набирать прочность (твердеть) в определенных условиях, делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе; в воде они сильно размокают. Из-за растворимости компонентов искусственного камня. К этой группе относят: гипсовые и магнезиальные вяжущие, растворимое стекло, воздушную известь.

Гидравлические вяжущие твердеют и сохраняют прочность как на воздухе так и в воде. Для эффективного протекания процесса твердения необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно присутствовала вода. Иначе течение химических реакций, благодаря которым материал становится прочнее, приостанавливается. В эту группу входит: гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый и расширяющийся цементы, гипсоцеметно-пуццолановое вяжущее и т.д. Число разновидностей гидравлических вяжущих непрерывно растет в результате использования новых видов сырья и применения современных способов производства.

В отдельную группу входят вяжущие вещества автоклавного твердения, которые набирают прочность только в автоклаве в среде насыщенного водянистого пара при t^o- 175-200° C при давлении 0,8 -1,5 МПа. В эту группу входят: известково-кремнезёмистые и известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент. (По существу эти вяжущие являются гидравлическими).

Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы в основном осадочного происхождения и некоторые массовые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и др. отраслей промышленности.

В небольших объемах используются карбонатные (известняк, мел, доломит, мергель, магнезит), сульфатные (гипс, ангидрит), кремнезёмистые (диатомит, трепел, опока), глинистые и высокоглинистые (бокситы) горные породы.

Расширяется все больше применение промышленных отходов: доменных и металлургических шлаков, шлаков и зол от сжигаемого твердого топлива, нефелинового шлама (не надо карьеров, сокращается расход энергии на обжиг, помол и т.д.)

Твердение минеральных вяжущих разделяется на 3 периода: подготовительной, коллоидации и кристаллизации (причем периоды не идут в четкой последовательности друг за другом, а налагаются один на другой).

Практическое значение имеют два момента в процессе твердения: начало и конец схватывания.

Начало схватывания – это момент, когда появляются признаки загустевания вяжущего теста, и оно ощутимо теряет пластичность. Все производственные операции по приготовлению, транспортировке и укладке растворных и бетонных смесей должны быть завершены до начала схватывания. К концу схватывания вяжущее тесто окончательно загустевает, но прочность его незначительна. Последующее нарастание прочности для разных вяжущих идет с различной интенсивностью. Максимальная скорость у гипсовых вяжущих- несколько часов, наименьшая у воздушной извести – она твердость набирает многие годы.

При оценке качества минеральных вяжущих рассматривают следующие показатели:

-тонкость помола (дисперсию) оценивают удельной поверхностью порошка и определяют просевом навески вяжущего через сито со стандартными размером ячеек на сите (в % массы пробы). [ Цементы должны иметь тонкость помола, характеризующуюся остатком на сите № 008 не более 15%]

-водопотребность представляет собой количество воды в процентах массы вяжущего, необходимое для получения теста стандартной консистенции.

Прочность – это основная характеристика качества вяжущих веществ, по которой устанавливают их марку, т.к. прочность вяжущих изменяется во времени, то марка находится по прочности, достигнутой за определенное время при твердении в условиях, зафиксированных в соответствующем стандарте. Для вяжущих, твердеющих с различной скоростью, марка контролируется в разном возрасте: для гипсовых вяжущих – после двух часов твердения на воздухе, а для портландцемента – после двадцати восьми суток пребывания во влажных условиях.

Цемент

В нашей стране выпускают свыше 30 видов и разновидностей цемента для строительной индустрии: портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый, сульфатостойкий, быстротвердеющий, цветные цементы и т.д.

Цементы при твердении могут приобретать различную прочность, которая характеризуется маркой цемента. Цементы производятся марок 300,400,500,600 и более высоких марок.

С повышением марки вырастает эффективность применения цемента в бетонах за счет уменьшения его удельного расхода.

Из выпускаемых промышленностью видов цемента важное значение имеет портландцемент.

Портландцемент (ПЦ) – это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким помолом клинкера с соответствующими добавками. Клинкер – это спекшаяся сырьевая смесь известняка и глины в виде зерен размером до 40 мм. Сырьем для его получения служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого Ca (известняки различного вида, мел, мергель) и глинистые породы (глины, сланцы), содержащие оксиды кремния, алюминия и железа. От его качества зависит важнейшее свойство цемента: прочность и скорость ее нарастания при твердении, долговечность, стойкость в различных эксплутационных условиях. Для регулирования сроков схватывания при помоле к клинкеру добавляют 1,5 -5% гипса от массы цемента. ПЦ выпускают без добавок или с активными минеральными добавками в количестве 15% от массы цемента.

Технология предусматривает следующие операции:

- изготовление сырьевой смеси надлежащего состава;

- обжиг до спекания;

- помол.

Для получения доброкачественного портландцемента содержание важнейших оксидов в клинкере должна быть в следующих пределах: 62-68% CaO, 18-26% SiO₂, 4-9% Al₂O₃, 0.3-6% Fe₂O₃.

Таким условиям отвечают широко распространенные осадочные породы – известняки и глины. В известняках преобладает карбонат кальция, в глинах – водные алюмосиликаты, диоксид кремния в виде тонкого кварцевого песка и оксида железа. При соотношении глины и известняка 1:3 (по массе) можно получить необходимый химический состав цементного клинкера. Известняк и глину можно заменить другими материалами, например мергелем (природная смесь известняка и глины), мелом. Если в исходной глине мало оксидов железа, то добавляют железную руду, если мало диоксида кремния, то добавляют кварцевый песок.

Сырьевую смесь для получения цементного клинкера приготавливают сухим или мокрым способом, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования вязкотекучей массы – шлама с влажностью 36-40%. Мокрым способом перерабатывают мелкое сырье с повышенной влажностью (мел, глины). Этот способ отл-ся в худшую сторону высокой энергоемкостью обжига, связанной с испарением содержащейся в шламе воды.

Сухой способ заключается в совместном измельчении сухих или предварительно высушенных компонентов, взятых в заданном соотношении. Получаемый в результате порошок, должен иметь влажность меньше или равную 2%. Сухой способ экономичнее и особенно выгоден при использовании однородного сырья с невысокой естественной влажностью.

Клинкер состоит из прочных окатанных гранул размером от 10 – 40 мм. Охлаждают до 100-150⁰С и выдерживают на складе 1-2 недели.

При мокром способе легче достигнуть тонкого измельчения исходных материалов и получить их гомогенную смесь, но расход топлива на обжиг в этом случае выше, чем при сухом. Получаемая при мокром способе суспензия сырьевых материалов обычно содержит 32-48% воды. Для повышения производительности печей и уменьшения расхода технологичного топлива стремятся уменьшить влажность сырьевого шлама без ухудшения его текучести за счет применения поверхностно-активных добавок.

Технология: сырьевой шлам поступает во вращающуюся печь для обжига, которая представляет собой длинный цилиндр(l =185 м, радиус 5 м), медленно вращающийся вокруг своей оси. Печь имеет некоторый наклон к горизонту, поэтому сырьевая смесь, загружаемая в верхнюю часть, постепенно перемещается к нижнему концу печи. Из нижнего конца печи вдувается топливо – пылевидный уголь или природный газ. При сжигании топлива образуются горячие газы, движущиеся по принципу противотока, то есть навстречу сырьевой смеси. Перемещаясь к нижнему концу печи, шлам претерпевает сначала физические, а затем существенные химические превращения и, передвигаясь дальше, он попадает в зону с t^o 550-800^o C. Здесь происходит дегидратация водных алюмосиликатов глины. Этот процесс сопровождается образованием соединений, характеризующихся сильно разрыхленной структурой частиц. При этом внутренняя энергия вещества вырастает и повышается его реакционная способность.

Далее сырьевая смесь попадает в зону с t^o 900-1000^oC, где карбонат кальция диссоциируется и образуется его оксид. Реакции протекают в твердом состоянии между оксидом кальция и продуктами дегидратации глины, содержащие преимущественно оксид алюминия и диоксид кремния. Оксид кальция с оксидом алюминия образуют однокальциевый алюминат CaO · Al₂O₃. Одновременно оксид кальция реагирует с диоксидом кремния, образуя в больших количествах двухкальциевый силикат 2CaO·SiO₂.

Обжигаемая смесь передвигается еще дальше, ее t 1200-1280^o, при этом течение реакций в твердом состоянии усиливается. Завершается образование двухкальциевого силиката. Дальше в наиболее горячей части печи при t до 1450^о С происходит частичное плавление материала и завершение реакции образования силикатов и алюминатов кальция. Материал спекается, образуя отдельные кусочки цементного клинкера размером 4 -20 мм. Для некоторых видов цемента (алинитового) удается снизить до t 1100^o C.

Клинкер, выходящий из печи, быстро охлаждается в специальном устройстве до 100-150^о С, называемым холодильником. Это необходимо для того, что бы предотвратить образование крупных кристаллов в клинкере и сохранить вместе с тем в незакристаллизированном виде стекловидную фазу. Без охлаждения клинкера получается цемент с пониженной реакционной способностью с водой.

Клинкер размалывают в тонкий порошок в мельницах, при этом для регулирования сроков схватывания цемента добавляют небольшое количество гипса.

С увеличением тонкости помола активность цемента возрастает, т.к. увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ (гидратов минералов), и повышается прочность цементного камня.

Тонкость помола цемента характеризуется также величиной удельной поверхности (см²/Г) – суммарной поверхностью зерен в одном грамме цемента. Удельная поверхность цементов составляет 2500-3000 см²/Г. В ряде случаев с целью повышения активности цемента и для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают. Условно, считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 1000 см²/Г повышает его активность на 20-25%.

Вяжущие свойства ПЦ обусловлены свойствами и содержанием искусственных минералов, составляющих клинкер, и степенью измельчения цемента.

В составе клинкера выделяют 4 основных минерала, имеющих кристаллическое строение: алит, белит, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит.

Алит: 3СаО * SiO₂ (C₃S)- основной минерал клинкера, содержащие в клинкере – (45-65%). Быстро твердеет и набирает прочность.

Белит: 2СаО * SiO₂ (C₂S) – второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера (20-30%). Он медленно набирает прочность, но при длительном твердении в благоприятных условиях его прочность весьма велика.

Содержание алита и белита в ПЦ – до 80%, поэтому его называют силикатным цементом.

Трехкальциевый алюминат: 3СаО*Al₂O₃ (C₃А) в ПЦ содержится (4-12%). Самый активный из клинкерных минералов. Однако продукт его гидратации имеет повышенную пористость, низкую прозрачность и долговечность. Быстрое взаимодействие C₃А с водой вызывает преждевременное схватывание цементного теста.

Четырехкальциевый алюмоферрит: 4СаО * Al₂O₃ * Fe₂O₃ (C₄AF), содержащие в ПЦ – (10-20%). По скорости твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом, но не обладает высокой прочностью. Кроме того, в составе клинкера в небольшом количестве имеется стекловидная фаза, состоящая в основном из СаО, Al₂O_3, Fe₂O_3, MgO, Na₂O, H₂O и свободные оксиды MgO и СаО. Содержание свободных оксидов Mg и Ca - не более 5 и 1% соответственно, эти ограничения должны исключить опасность неравномерного изменения объёма при твердении цемента.

Дата добавления: 2014-01-05