Строительные материалы. Часть 1. 2013

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Определение и классификация минеральных вяжущих

Минеральные вяжущие вещества – это неорганические порошкооб-

разные материалы, которые после смешивания с водой (а в отдельных случаях с растворами солей) образуют пластичную массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние. Вяжущие вещества скрепляют между собой зерна заполнителей – песка, щебня, гравия и др. Это свойство вяжущих используют для получения растворов, бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных изделий и других материалов.

Минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства твердеть и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на четыре группы: воздушные, гидравлические, авто-

клавные и кислотостойкие.

Воздушные вяжущие вещества твердеют, длительно сохраняют и повышают прочность только на воздухе. Поэтому они применяются в надземных частях зданий и сооружений, не подвергающихся систематическому воздейст-

вию воды или пара. К ним относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие.

Гидравлические вяжущие вещества после предварительного твердения на воздухе способны в последующем твердеть и длительно сохранять прочность как на воздухе, так во влажных условиях и в воде. К ним относятся порт-

ландцемент и его разновидности, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гидравлическая известь. Эти вяжущие ис-

пользуют как в надземных, так в подземных и подводных частях зданий и сооружений.

Вяжущие автоклавного твердения наиболее эффективно твердеют при обработке в автоклавах насыщенным водяным паром при повышенном давлении до 0,9–1,3 МПа (8–12 атмосфер) и температуре 175–190 °С. К этим вяжущим относятся известково-кремнеземистые смеси (известково-песчаные, из- вестково-шлаковые и др.). Материалы автоклавного твердения (силикатный кирпич, газобетон) по способности сохранять свою прочность занимают промежуточное положение между материалами на воздушных и гидравлических вяжущих – их коэффициент размягчения равен 0,7–0,8.

91

К кислотостойким вяжущим относят кислотоупорный кварцевый крем-

нефтористый цемент, представляющий собой смесь тонкомолотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяемую жидким стеклом (водным раствором силиката натрия или калия). Это вяжущее после начального твердения на воздухе может длительное время сопротивляться агрессивному воздействию неорганических и органических кислот, кроме фтористоводородной.

ОБЩИЕ ЭТАПЫ В ТЕХНОЛОГИИ ВЯЖУЩИХ

Получение каждого вяжущего имеет свои особенности, однако есть четыре общих этапа, которые характерны при получении большинства вяжущих:

1.Добыча исходных горных пород.

2.Измельчение горных пород (дробление, иногда помол).

3.Обжиг.

4.Измельчение, помол готового вяжущего.

1.Добыча горных пород. Твёрдые, прочные горные породы отделяют от массива взрывным способом, рыхлые сразу экскаваторами грузят на транспорт, преимущественно автомобильный.

2.Измельчение горных пород. Твёрдые и прочные горные породы дробят в дробилках, чаще всего щековых (челюстных), например в таких, как на рисунке 57 (все соединения шарнирные). В результате вращения эксцентрикового вала (сверху со стрелкой) подвижная щека (челюсть) приближается и удаляется от неподвижной (справа со штриховкой) и раздавливает материал, подаваемый в пространство между щеками (челюстями). Непрочные породы дробят

вдругих дробилках, например, валковых конструкция которых аналогична вальцам (см. рисунок 38) – два валка, вращающиеся навстречу друг другу, раздавливающие материал, подаваемый между валками (рисунок 57).

3.Обжиг. Установки для обжига будут рассмотрены при изучении конкретных видов вяжущих.

3.Помол осуществляется в разных мельницах, но чаще всего в трубных или барабанных, называемых обычно шаровыми из-за стальных шаров, загружаемых в них в качестве мелющих тел (рисунок 58). При вращении цилиндрического корпуса (трубы, барабана) шары за счёт ударов и истирания размалывают материал до порошкообразного состояния.

92

I II

Рисунок 57 – Схемы дробилок: I – щековых; II – валковых

Рисунок 58 –Схема шаровой барабанной мельницы: 1 барабан; 2 – шары; 3 – подача материала на помол; 4 – опора; 5 – выгрузка молотого материала

Воздушная известь

Воздушную известь СаО получают обжигом при 1000–1200 °С карбонатных пород СаСО3 (известняков различного происхождения, мела, мрамора), содержащих не более 6 % глинистых примесей в исходном сырье и не более 5 % МgО в обожженном продукте.

Известняк подвергают дроблению. Обжиг известняка (рисунок 37) осуществляют преимущественно в шахтных печах (рисунок 60).

Мелкие фракции прочных известняков и малопрочные известняки, мел обжигают во вращающихся печах, аналогичных печам по производству керамзита (рисунок 4).

93

а б Рисунок 59 – Известняк (а) – горная порода, сырьё для получения извести и

портландцемента68 и комовая негашёная известь-кипелка (б)69

В зоне подогрева I газы, отходящие из зоны обжига II, подогревают известняк до 900 оС. В зоне обжига происходит горение топлива (уголь или мазут, или газ) и разложение известняка:

	900−1200	оС
СаСО3 → СаО + СО2↑
В зоне	охлаждения III известь ох-
лаждается наружным воздухом до 50–
100 оС, который, в свою очередь, нагре-
вается и попадает в зону обжига для го-
рения топлива. За счет постоянной за-
грузки и выгрузки печи твердые мате-
риалы	непрерывно	движутся сверху
вниз, последовательно проходя указан-			Рисунок 60 – Схема
ные зоны и процессы. Воздух, а затем			шахтной печи
газы, движутся снизу вверх.
Известь после обжига называют комовой			негашеной известью

или известью-кипелкой (рисунок 59, б) из-за бурной экзотермической реакции с водой с выделением пара.

Свойства негашеной извести. (Методы определения свойств изучаются в лабораторных работах). По количеству активных CaO + MgO и содержанию негасящихся частиц известь делится на три сорта:

68http://www.appolostroy.ru/catalog/show/257/

69http://images.google.ru/imglanding?q

94

–1 сорт: СаО + МgО не менее 90 %, негасящихся не более 7 %;

–2 сорт: CаО + МgО не менее 80 %, негасящихся не более 11 %;

–3 сорт: СаО + МgО не менее 70 %, негасящихся не более 14 %.

По скорости гашения известь делят на три группы:

–быстрогасящуюся: время гашения менее 8 мин;

–среднегасящуюся: время гашения 8–25 мин;

–медленногасящуюся: время гашения более 25 мин.

По температуре гашения известь делят на два вида:

–низкоэкзотермичную: температура гашения менее 70 °С;

–высокоэкзотермичную: температура гашения более 70 °С.

Применение воздушной извести. Перед использованием известь гасят,

либо размалывают. Гашение – это гидратация извести водой: CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q.

Ca(OH)2 выделяется в виде мельчайших частиц с размерами около 0,001 мм. Из-за бурного выделения тепла часть воды гашения, превращаясь в пар, улетучивается. При расходе воды около 1 л на 1 кг комовой извести после гашения образуется тонкодисперсный сухой порошок, называемый известьюпушонкой. При расходе 2–3 л воды на 1 кг комовой извести получают из-

вестковое тесто, а при большем количестве воды – известковое молоко.

Гашеную известь применяют в качестве вяжущего в низкомарочных штукатурных и кладочных растворах (известково-песчаных), в качестве пластифицирующей добавки в цементно-известково-песчаных растворах, для окраски (побелки).

Известь размалывают и используют совместно с молотым кремнеземистым компонентом (песок, шлак, зола и др.) в качестве автоклавного вяжущего при производстве силикатного кирпича, силикатного бетона, газосиликата.

Твердение извести. Материалы на основе гашеной извести твердеют в результате высыхания, кристаллизации Ca(OH)2 и взаимодействия Ca(OH)2 с атмосферным СО2 в присутствии влаги по реакции:

Ca(OH)2 + CO2 + nH20 → CaCO3 + (n+1)H20

Твердение изделий на основе молотой извести в автоклавах происходит в результате её взаимодействия с кремнеземом SiO2 с образованием гидросили-

катов mCaO nSiO2 pH2O:

95

mCaO + nSiO2 + pH2O = mCaO nSiO2 pH2O

На разных стадиях автоклавной обработки образуются гидросиликаты с разными соотношениями CaO, SiO2 и H2O, что выражается неопределенными коэффициентами m, n и p.

Магнезиальные вяжущие вещества

Это вещества, которые в качестве вяжущего компонента содержат окид магния МgО – каустический магнезит, каустический доломит.

Каустический магнезит получают из горной породы магнезита МgСО3 точно так же, как воздушную известь, в таких же печах, лишь температура обжига составляет 700–800 °С:

МgСО3 700 − 800 oС→ МgО + СО2↑

Каустический доломит изготовляют обжигом природного доломита CaCO3 MgCO3 точно так же, как известь и каустический магнезит, но ещё при более низких температурах 650–750 °С, т. е. ниже температуры диссоциации углекислого кальция. Поэтому каустический доломит состоит из оксида магния МgО, являющегося активной частью вяжущего, и карбоната кальция CaCO3, который, не обладая вяжущими свойствами, снижает его активность по сравнению с каустическим магнезитом.

После обжига магнезиальные вяжущие подвергают помолу. В отличие от СаО, оксид магния МgО очень медленно взаимодействует с водой, поэтому каустический магнезит и доломит затворяют не водой, а водным раствором хлористого или сернокислого магния, что активизирует гидратацию и твердение МgО, получение прочности при сжатии 40–60МПа у каустического магнезита и 10–30 МПа – у каустического доломита.

Магнезиальные вяжущие обладают хорошим сцеплением с древесными опилками, стружкой и предохраняют их от загнивания. На этом основано применение этих вяжущих для устройства ксилолитовых полов (на опилках), изготовления фибролита (теплоизоляционные плиты на стружках). По аналогии с гипсоволокнистыми листами изготавливают стекломагниевые листы для отделочных работ, изготавливаемые на основе каустического магнезита и стекловолкна.

96

Строительный гипс

Строительным гипсом называют воздушное вяжущее вещество, представляющее собой порошок полуводного сульфата кальция CaSO4 0,5H2O (рисунок 61). Строительный гипс получают из природного двуводного гипсового камня CaSO4 2H2O (рисунок 61).

а б Рисунок 61 – Гипсовый камень70 (а) и строительный гипс (б)

Обжиг гипсового камня производят в гипсоварочных котлах, сушильных барабанах и других установках. Преобладающим является способ получения строительного гипса в гипсоварочных котлах, имеющих двойные стенки, между которыми пропускают горячие дымовые газы и мешалку, непрерывно перемешивающую предварительно тонкомолотый двуводный гипс. При этом происходит разложение двуводного гипса до полуводного:

CaSO4 2H2O 140 −160 о С→ CaSO4 0,5H2O + 1,5 H2O

Твердение гипса. При смешивании строительного гипса с водой происходит реакция гидратации, в результате которой полуводный гипс, связывая воду, вновь превращается в двуводный и затвердевает:

CaSO4 0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4 2H2O

Свойства. Основными свойствами строительного гипса являются: тон-

кость помола, сроки схватывания и прочность (методы определения свойств изучаются в лабораторных работах).

В зависимости от остатка на сите с отверстиями 0,2 мм, у гипса различа-

70 http://www.stkms.ru/Статьи/Гипсовыеи гипсобетонные изделия

97

ют помол:

–грубый – индекс I: остаток не более 23 %;

–средний – индекс II: остаток не более 14 %;

–тонкий – индекс III: остаток не более 2 %.

По срокам схватывания на приборе Вика различают гипс:

–быстротвердеющий – индекс А: начало схватывания не ранее 2 мин, конец – не позднее 15 мин;

–нормальнотвердеющий – индекс Б: начало схватывания не ранее 6 мин, конец – не позднее 30 мин;

–медленнотвердеющий – индекс В: начало схватывания не ранее 20 мин, конец – не нормируется;

По прочности гипсовые вяжущие делятся на марки от Г-2 до Г-25 (прочность при сжатии 2–25 МПа). Марки строительного гипса находятся в пределах Г-2 – Г-7, определяют испытанием на прочность при сжатии и изгибе

балочек 4 × 4 × 16 см, изготовленных из теста нормальной густоты (расплыв лепешки на вискозиметре Суттарда 180 ±5 мм), и твердевших в течение 2 ч.

Применение. Строительный гипс применяют для изготовления материалов и изделий, служащих при относительной влажности воздуха не более 60 %: перегородочные панели и плиты, гипсокартонные и гипсоволокнистые листы, облицовочные, огнезащитные и звукопоглощающие детали, гипсовые растворы и т.д.

Другие виды гипсовых вяжущих

Высокопрочный гипс. Имеет ту же формулу, что и строительный гипс CaSO4 0,5H2O, но отличается способом получения – не в гипсоварочных котлах, а в автоклавах – герметичных аппаратах, в которых аналогично бытовой скороварке тепловым агентом является пар с температурой выше 100 °С и давлении выше атмосферного. В таких условиях получается более активная альфамодификации полуводного гипса. Поэтому прочность при сжатии высокопрочного гипса составляет 15 – 25 МПа, значительно превышающая прочность строительного гипса.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества (ангидритовые) изго-

товляют путем обжига гипсового камня при высоких температурах 600 – 900 °С, поэтому они полностью теряют воду и состоят преимущественно из безвод-

98

ного сульфата кальция – ангидрита (CaSO4.).

Обжиг гипсового камня осуществляют во вращающихся или шахтных печах. После обжига производят помол. Для активизации твердения в ангидритовое вяжущее полученное при 600–700 °С добавляют небольшое количество извести. Ангидритовые вяжущие отличаются от строительного гипса медлен-

ным схватыванием и твердением, но их водостойкость и прочность при сжа-

тии выше – 10 – 20 МПа. Поэтому их применяют при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления «искусственного мрамора».

Портландцемент

Портландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера и около 5 %

двуводного гипса. Портландцементный клинкер получают из известняка

(около 75 %) и глины (около 25 %).

Технология портландцемента. Известняк дробят, а затем размалыва-

ют вместе с глиной. При обжиге по сухому способу ведут совместный сухой помол известняка и глины, а при обжиге по мокрому способу их размалывают (с 35–45 % воды). Помол ведут преимущественно в шаровых трубных мельницах (рисунок 62). Полученную сырьевую смесь обжигают до спекания во вращающихся печах. Вращающиеся печи для обжига клинкера аналогичны печам для обжига керамзита (рисунок 56), но имеют значительно бóльшие размеры – длину до 185 м и диаметр до 5 м.

Рисунок 62 – Схема шаровой трубной трёхкамерной мельницы: 1– цилиндрический корпус; 2 – стальные шары; 3– решетки.

Процессы при обжиге. По мере продвижения по печи и повышения температуры в ней из сырьевой смеси вначале испаряется свободная вода. Затем глинистые минералы и гидроксиды железа глины отдают химически связанную

99

воду и разлагаются на оксиды SiO2, Al2O3, и Fe2O3. Известняк разлагается и образуется CaO. СаО взаимодействует с SiO2, Al2O3, и Fe2O3. Максимальная температура в печи 1450 °С. При этой температуре завершаются процессы взаимодействия оксидов с образованием клинкерных минералов в следующем соотношении:

–3CaO SiO2 (С3S)71 – трехкальциевыйсиликат(алит) – 45–60 %;

–β-2CaO SiO2 (β-С2S) – бета-двухкальциевыйсиликат(белит) – 20–30 %;

–3CaO Al2O3 (С3А) – трехкальциевыйалюминат– 5–15 %;

–4CaO Al2O3 Fe2O3 (С4АF) – четырехкальциевыйалюмоферрит– 10–20 %.

Клинкер представляет собой округлые плотные и прочные гранулы раз-

мером 5–40 мм (рисунок 63, а). Для получения портландцемента клинкер раз-

малывают совместно с двуводным гипсовым камнем СаSО4 2Н2О (около 5 %) (рисунок 63, б) в шаровых мельницах. Готовый цемент (рисунок 63 в) отгружают потребителям россыпью в вагонах-цементовозах или упакованным в бумажные 5–6- слойные мешки по 50 кг.

Твердение портландцемента. Процесс твердения портландцемента обусловлен взаимодействием с водой клинкерных минералов. C3S гидратируется с образованием гидросиликатов кальция mCaO nSiO2 pH2O и извести Са(ОН)2. β- C2S гидратируется аналогично C3S, но с меньшим количеством извести. C3А гидратируется с образованием гидроалюмината 3CaO Al2O3 6H2O, а C4АF – с образованием гидроалюмината 3CaO Al2O3 6H2O и гидроферрита

3CaO Fe2O3 6H2O.

а б в Рисунок 63 – Клинкер 72 (а), двуводный гипсовый камень73 (б) и готовый порт-

ландцемент74 (в)

71С целью сокращения записи оксиды обозначают первыми буквами, а число молекул данного оксида – индексом внизу

72http://www.miocom.ru/equipment6.html

73http://www.stkms.ru/Статьи/Гипсовыеи гипсобетонные изделия

74http://www.monolit-cement.ru/catalog

100