Неорганічні в’яжучі речовини

6.1. Загальні відомості і класифікація неорганічних в’яжучих речовин

Неорганічними в'яжучими речовинами називають тонкомелені порошки, що при замішуванні їх водою або водними розчинами утворюють пластично-в’язке тісто, згодом здатне перетворюватися в каменеподібне тіло.

Неорганічні в’яжучі речовини залежно від умов твердіння поділяють на: повітряні; гідравлічні; автоклавного твердіння.

Повітряні в’яжучі після затвердіння довго зберігають свою міцність тільки в повітряному середовищі. До них належать гіпсові в’яжучі, вапно повітряне будівельне, магнезіальні в’яжучі, рідке (розчинне) скло. Гідравлічні в’яжучі після змішування з водою і попереднім твердінням на повітрі продовжують тверднути у воді. До них належать портландцемент і його модифікації, глиноземистий цемент, романцемент, гідравлічне вапно.

В’яжучі речовини автоклавного твердіння спроможні в умовах автоклава (температура t=140-220 °C, тиск Р=0,6-1,2МПа, середовище насиченої пари) тверднути з утворенням міцного каменю. До них належать: вапняно-кремнеземисті, вапняно-зольні, вапняно-шлакові і нефеліновий цемент.

6.2. Вапно будівельне повітряне

Вапно - мінеральна в'яжуча речовина, отримана випалюванням кальцієво-магнієвих карбонатних гірських порід - крейди, вапняку, доломіту і т.д. У залежності від хімічного складу розрізняють вапно - кальцієве, доломітове і магнезіальне. Кальцієве містить активних CaО+MgО від 70 до 90%. У магнезіального - 65-85%.

Найпоширеніше будівельне повітряне вапно одержують випалюванням при температурі t=1000-1200С вапнякових порід, що містять глини не більш як 6%. При випалюванні відбуваються реакції:

CaCO₃=CaО+CO₂, MgCO₃=MgО+CO₂

Вапняк випалюють в основному в шахтних печах, (рис. 6.1.), можна також в печах “киплячого шару”, обертових тощо.

Гашення повітряного вапна полягає в гідратації CaО під впливом води: CaО+H₂O=Ca(OH)₂+65.5 кДж/моль

Залежно від швидкості гасіння розрізняють вапно:

- швидкозагашуване (час гасіння до 8 хв.),

- середньозагашуване (8-25 хв.),

- повільнозагашуване (понад 25 хв.).

Якщо кількість води перевищує кількість гашеного вапна - утвориться вапняне молоко, якщо дорівнює - вапняне тісто.

Мелене негашене вапно утворюється шляхом помелу грудкового вапна.

Мелене негашене вапно застосовують відразу ж після помелу, для готування бетонів, розчинів, силікатної цегли й одержання силікатних в’яжучих.

Для прискорення твердіння розчинових і бетонних сумішей на меленому негашеному вапні до їх складу вводять хлористий кальцій, а для уповільнення твердіння гіпс, сірчану кислоту.

При роботі з вапном варто уникати її влучення в легені і слизові оболонки - це небезпечно.

Твердіння вапна відбувається в повітряно-сухих умовах. Відсмоктування води і її випаровування призводить до злипання часток Ca(ОH)₂ і їхньої кристалізації. Поряд із цим відбувається карбонізація вапна - за рахунок вуглекислоти повітря за реакцією:

Ca(OH)₂+CO₂+n×H₂O=CaCO₃+(n+1)×H₂O (6.1)

Процес твердіння вапна повільний.

6.3. Гіпсові в’яжучі речовини

Сировиною для виробництва гіпсових в’яжучих служать природний гіпсовий камінь і відходи хімічної промисловості, наприклад фосфогіпс, борогіпс. Гіпсовий камінь використовується не тільки для виробництва гіпсових в’яжучих, але й як сировина для одержання сірчаної кислоти, портландцементу, змішаних в’яжучих тощо.

Гіпсові в’яжучі речовини залежно від температури теплової обробки поділяють на дві групи: низьковипалювальні і високовипалювальні. Температура обробки низьковипалювальних 150-160°С. При цій температурі з гірської породи CaSO₄·2H₂O утвориться напівводний гіпс CaSO₄·0,5H₂O, що називають гіпсовим в'яжучим.

Якщо випалювання гіпсу провести при температурі 700-1000°C, то утвориться високовипалювальне в'яжуче - безводний сульфат кальцію (ангідрит CaSO₄).

Виробництво найпоширенішого продукту - будівельного гіпсу CaSO₄·0,5H₂0 складається з: роздрібнення сировини, помелу і теплової обробки - дегідратації або випалювання.

Будівельний гіпс можна одержувати, поєднуючи процеси помелу і випалювання. При цьому в шахтних і ролико-маятникових млинах гіпс не тільки розмелюється і висушується, але і до деякої міри дегідратується.

Спільний помел і випалювання гіпсу можна здійснити в шахтних, кульових і ролико-маятникових млинах.

Високоміцний гіпс, що складається з a -CaSO₄·0,5H₂O, одержують, в основному, шляхом готування гіпсового порошку в насичених сольових розчинах, що киплять вище температури дегідратації CaSO₄·2H₂O. Використовують розчини солей (MgSO₄, NaCl, Na₂CO₃, CaCl₂) або поверхнево-активних речовин у воді (ЛСТ, милонафт, сульфонол). Готовий продукт має велику однорідність властивостей і в ньому відсутні CaSO₄·2H₂O і CaSO₄.

Гіпсові в’яжучі при замішуванні водою утворюють пластичне тісто. Кількість води, необхідної для одержання тіста нормальної густоти, становить 50-65% для будівельного гіпсу і 35-40% для високоміцного.

Водопотреба гіпсових в’яжучих залежить від способу їх одержання, форми і розмірів кристалів, тонкості помелу, хімічної чистоти, наявності добавок, температури води замішування тощо.

Для повного протікання реакції гідратації:

CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O=CaSO₄·2H₂O необхідно 18.6% води. Надлишкова кількість води, у процесі твердіння не бере участі і при висушуванні випаровується, створюючи пори. Пористість затверділого будівельного гіпсу становить від 40 до 60%. Високоміцний гіпс відрізняється від звичайного крупнішими кристалами неволокнистої структури і тому має меншу водопотребу.

6.4. Магнезіальні в’яжучі речовини

До магнезіальних в'яжучих відносять каустичний магнезит і каустичний доломіт.

Каустичний магнезит MgО одержують випалюванням магнезиту MgCO₃ при температурі 650-850°C у шахтних або обертових печах із наступним помелом.

Каустичний доломіт CaCO₃+MgО одержують шляхом випалювання природного доломіту CaCO₃·MgCO₃. Наявність у каустичному доломіті CaCO₃ знижує в’яжучі властивості.

Магнезіальні в’яжучі замішують водними розчинами солей сірчанокислого або хлористого магнію, причому розчин MgCl₂ надає велику міцність виробам за інших рівних умов.

Основна галузь застосування: виготовлення бетонів для підлог (ксилоліт-заповнювач деревна тирса). У даний час застосування магнезіальних в’яжучих обмежене через малі запаси сировини і збільшення застосування магнезиту в інших галузях промисловості (вогнетриви, флюси, космос).

6.5. Рідке скло і кислототривкий кварцовий цемент.

Рідке скло, або розчинне скло, - N₂O·n(SiO₂),де n-силікатний модуль скла. Частіше усього n=2,5-3,5

Одержують рідке скло при сплавленні при 1300-1400C суміші меленого піску (SiO₂), кальцинованої соди (Na₂CO₃) або сульфату натрію (Na₂SO₄), або з поташем (K₂CO₃). У перших двох випадках одержують натрієве рідке скло, в останньому - калієве. Після випалювання скломасу ("силікат-брилу") охолоджують і розчиняють в автоклаві в середовищі насиченої пари при тиску 0,5-0,6 МПа і температурі 150C.

Твердне рідке скло на повітрі за реакцією:

Na₂SiO₃+CO₂+2H₂O=>Si(OH)₄+Na₂CO₃

Прискорюють процес твердіння рідкого скла добавкою каталізатора - кремнефтористого натрію Na₂0·SiF_6.

Суміш водного розчину силікату натрію, кислототривкого наповнювача і прискорювача твердіння - кремнефтористого натрію, називається кислототривким цементом.

Кислототривкий цемент неводостійкий; руйнується від впливу води і розчинів слабких кислот. Для підвищення водостійкості до складу цементу вводять 0,5% лляної олії або 2% гідрофобізуючої добавки. Отриманий у такий спосіб гідрофобізований цемент називають кислототривким водостійким цементом (КВЦ). Оптимальний склад містить 15-30% тонкомеленого чистого кварцового піску і 4-6% кремнефтористого натрію від маси наповнювача.

Кислототривкі цементи застосовують для готування бетонів і розчинів при футеруванні хімічної апаратури, виготовленні підлог у хімлабораторіях.

6.6. Портландцемент

Портландцемент - в'яжуча речовина, одержувана шляхом тонкого помелу цементного клінкеру з гіпсом і добавками.

Портландцементний клінкер одержують шляхом випалювання суміші, що складається з вапняку, глини і добавок, що має сумарний хімічний склад; у % за масою:

SiO₂ - 20-24; Al₂O₃ - 4-7; Fe₂O₃ – 2-4; CaО - 62-68; MgО – 0,3-4,5; SO₃ - 0.,-2.

При випалюванні зазначені вище оксиди утворюють ряд мінералів. Найбільше значення мають 4 основних мінерали клінкеру, відносний вміст яких у портландцементі такий, у % за масою:

- трикальцієвий силікат (аліт) 3CaО∙SiO₂ - 45...60;

- двокальцієвий силікат (біліт) b-2CaО∙SiO₂ - 20...35;

- трикальцієвий алюмінат 3CaО∙Al₂O₃ - 4...12;

- чотирикальцієвий алюмоферит 4CaО∙Al₂O₃∙Fe₂O₃ - 10...18

Скорочене позначення цих мінералів таке: C₃S, b-C₂S, C₃A, C₄AF.

Аліт (C₃S) – основний мінерал клінкеру, забезпечує швидке твердіння і наростання міцності портландцементу.

Біліт (b-C₂S) – другий мінерал за важливістю, забезпечує високу міцність при тривалому твердінні. При повільному охолодженні клінкеру і КН<0.88 переходить у g-C₂S і розсипається в порошок, який не має в’яжучих властивостей.

C₃A – дуже швидко гідратує і твердне. Продукти гідратації мають високу пористість і низьку міцність. C₃A є причиною сульфатної корозії цементу, тому його вміст у сульфатостійкому портландцементі обмежений - не більш як 5%.

C₄AF – за швидкістю гідратації цей мінерал займає проміжний стан між алітом і білітом, і не робить визначального впливу на швидкість твердіння і тепловиділення портландцементу.

Поряд із чотирма основними мінералами присутні і багато інших, наприклад, (периклаз - MgО; Na₂O∙8CaО∙3Al₂O₃; K₂O∙23CaО∙12SiO₂ тощо).

При помелі до складу портландцементу вводять 3-5% гіпсу (ДЕРЖСТАНДАРТ 4013).

Після замішування цементу з водою відбувається процес гідратації. Гідратація цементу - процес хімічної взаємодії, що характеризується мінералогічними змінами, виділенням тепла, зміною щільності, рухливості і пластичності цементного тіста. Швидкість і ступінь гідратації залежить від тонкості помелу цементу, температури твердіння, мінералогічного складу всіх складових.

Цементи заводського помелу мають тонкість помелу 250-300 м²/кг.

Дата добавления: 2014-01-07