Работа № 5. Получение минеральных вяжущих веществ

Принцип метода:

Минеральными вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, обычно сложного состава, которые при смешивании с водой, а в некоторых случаях с водными растворами солей дают пластичную массу (тесто), превращающуюся через некоторое время в твердое тело – искусственный камень. Процесс превращения состоит, таким образом, из двух стадий. На первой стадии, которая называется схватыванием, вяжущие вещества смешиваются с водой (затворяются), образуя пластичную массу (тесто), через некоторое время загустевающую и постепенно твердеющую. На второй стадии, называемой твердением, искусственный камень постепенно приобретает предельную (для каждого конкретного материала свою) прочность. В связи с этим вяжущие вещества используют в строительстве для связывания между собой отдельных строительных элементов (кирпичей, блоков, плит, камней), а также для получения монолитных частей сооружений при смешивании вяжущих веществ с заполнителями (песком, гравием и т.д.).

Вяжущие вещества делятся на две группы: гидравлические, твердеющие и сохраняющие прочность на воздухе, и в воде (цемент, гидравлическая известь), и воздушные, способные твердеть только на воздухе (гипс, воздушная известь, магнезиальный цемент).

1. Получение цемента

Основой для производства цемента служит шихта, состоящая из смеси известняка, мела и легкоплавкой глины. Высокотемпературный обжиг (до 1200-1300 °С) приводит к разложению компонентов шихты с образованием оксидов СаO, SiО₂, Al₂О₃, Fe₂O₃ и превращению их в искусственные минералы: белит 2CaO ^. SiO₂, алит 3СаО ^. SiО₂, а также в виде плавней алюминат кальция 3CаО ^. Al₂O₃ и алюмоферрит кальция 4СаО ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O_3. Спекание при температуре до 1450 °С приводит к образованию клинкера, из которого при измельчении и тонком помоле с одновременным добавлением молотых гипсового камня и природного кремнезема получают цемент. Затворение цемента водой сопровождается гидратацией входящих в его состав минералов с образованием малорастворимых и выделяющихся вследствие этого кристалликов гидросиликатов и гидроалюминатов:

3СаО ^. SiO₂ + 5Н₂О = Са(ОН)₂ + 2CaO ^. SiO₂ + 4Н₂О (1)

3CаО ^. А1₂O₃ + 6Н₂O = 3СаО ^. Аl₂O₃ ^. 6Н₂О. (2)

Процесс затвердевания цементного теста и превращения его в цементный камень обусловлен разрастанием и сращиванием кристаллов

2. Получение гипса

Исходным сырьем для получения строительного (полуводного) гипса служит гипсовый камень (природный гипс) CaSO₄ ^. 2H₂O. Его обжиг при температуре до 140 °С способствует превращению в полуводный гипс в результате неполной дегидратации:

CaSO₄ ^. 2H₂O = СаSO₄ ^. 0,5Н₂О + 1,5H₂O. (3)

Затворение порошка строительного гипса водой приводит к частичному растворению его в воде и присоединению воды с образованием менее растворимого двухводного гипса. При этом выделяются его кристаллы, вызывая быстрое схватывание в течение 5­15 минут. Замедлению схватывания способствуют добавки извести или ряда органических материалов (в частности, клея). Строительный гипс применяют для изготовления отливочных форм в производстве керамических изделий, в медицине, в строительстве при проведении штукатурных работ (в смеси с песком и известью).

Цель работы:

Получить цементный камень, испытать его твердость и определить время схватывания цемента.

Получить строительный гипс, определить время затвердевания затворенного гипса и количество удаленного из гипсового камня воды.

Ход выполнения работы:

1. В фарфоровой чашке взвешивают 30 г цемента, пересыпают на деревянную плиту и добавляют 7­8 мл воды, тщательно перемешивая смесь палочкой до образования однородной массы (теста). Из полученного цементного раствора формуют изделие любой формы с плоской поверхностью. Фиксируют время начала наблюдений и через каждые 5­10 минут качественно испытывают твердость изделия, касаясь кончиком пинцета поверхности. В начале наблюдений тесто текуче и пластично, образующееся углубление вновь заполняется тестом. С того момента, когда деформированное состояние поверхности сохраняется (углубление не заплывает), начинается схватывание.

2. На технических весах взвешивают 20­25 г измельченного гипсового камня, переносят в фарфоровую ступку с пыленепроницаемым чехлом и растирают небольшими порциями в тонкий порошок. Порцию двухводного гипса массой 4­5 г смешивают с водой до образования теста и выясняют, происходит ли его твердение.

Отвешивают 20 г тонкого порошка гипсового камня и во взвешенной фарфоровой чашке переносят в сушильный шкаф. Нагревание должно проводиться при температуре 130­140 ^оС. Через 20 минут выдержки при этой температуре фарфоровую чашку извлекают из сушильного шкафа, охлаждают и определяют убыль веса взвешиванием. Далее нагревание порошка повторяют и операции нагревание - охлаждение - взвешивание проводят через каждые 15 минут нагревания до достижения постоянного веса. Определяют суммарное время нагревания и содержание воды в полученном порошке, выраженное в процентном отношении количества удаленной воды к теоретическому.

Отвешивают 10 г строительного гипса, помещают его на деревянную плиту, добавляют 5 мл воды, тщательно перемешивают образующееся тесто и фиксируют время затворения (начало схватывания). Из полученного теста после его загустевания формуют изделие с плоской поверхностью. Фиксируют время начала твердения по реакции поверхности изделия к механическому воздействию кончика иглы. Начало затвердевания соответствует тому моменту, когда прикосновение к поверхности изделия иглой не вызывает образования лунки, заполняющейся водой. После обнаружения начала затвердевания периодическими испытаниями обнаруживают момент окончания затвердевания, который соответствует тому моменту, когда игла с грузом 500 г не прокалывает поверхность изделия. Определяют время затвердевания и общее время с момента затворения до окончания затвердевания.

Расчеты и оформление результатов:

Записать методику (ход выполнения) работы. Записать время схватывания цемента, время затвердевания и суммарное время от затворения до окончательного затвердевания строительного гипса. Записать количество воды, удаленной из гипсового камня при его нагревании.

Контрольные вопросы

1. Назовите химический состав цемента, природного и строительного гипса.

2. Назовите области применения цемента и гипса.

3. Какие еще минеральные вяжущие вещества известны и для чего они применяются?

4. Опишите химические реакции, лежащие в основе процессов получения и связывания строительных цемента и гипса.

5. Что такое магнезиальные связывающие вещества, в чем их отличие при получении и применении?

6. Для чего природные материалы, используемые в качестве строительных вяжущих, предварительно обжигают?

7. Что такое клинкер?

Литература

1. Ключников Н.Г. Практические занятия по химической технологии. М.: Просвещение, 1978. С. 138-139.

2. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1973. 504 с.

3.Э.Е. Нифантьев, Н.Г. Парамонов. Основы прикладной химии. М.Владос, 2002. 375с.

.