СМ 2013

111

Камни и блоки получают из жестких, умеренно жестких и подвижных (литых) смесей. Формование осуществляется вручную или на полуавтоматических станках, карусельных машинах, камни изготавливаются также способом фильтрационного прессования.

Строительство монолитных домов

Строительство монолитных домов из арболита на гипсовых вяжущих (смотри главу 6 «Бетоны»).

5.1.2.  Магнезиальные вяжущие вещества

К магнезиальным вяжущим относятся каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит – порошкообразное вяжущее вещество, состоящее из МgO и примесей. Производство каустического магнезита включает операции дробления магнезита (МgСО ), обжига щебня во вращающихся или шахтных печах при температуре 700-800 °С и помола в шаровых мельницах. При просеивании вяжущего остаток на сите с сеткой № 02 должен быть не более 5 %, а на сите с сеткой № 008 – не более 25 %. При обжиге происходит разложение магнезита:

МgСО → МgO + СO .

При затворении каустического магнезита водой он практически не твердеет, поэтому в отличие от других вяжущих его затворяют водными растворами хлористого магния (МgСl  · 6H O) или сернокислого магния (МgSO  · 7Н O).

Схватывание и твердение вяжущего обусловлено гидратацией МgO:

МgO + Н О → Мg(ОН) .

Врастворах хлористого и сернокислого магния процессы гидратации

итвердения ускоряются. При затворении вяжущего раствором хлористого магния возможно также образование гидрооксихлорида магния 3МgO · МgСl  · 6Н O.

Каустический магнезит характеризуется сравнительно медленным схватыванием. Начало схватывания должно наступать не ранее 20 мин, конец – не позднее 6 ч. При испытании образцов из раствора состава 1 : 3 через 28 сут твердения на воздухе прочность при сжатии составляет 40-60 МПа.

Каустический доломит – это вяжущее вещество, состоящее в основном

из МgO и СаСО . Получают обжигом доломита МgСO  · СаСO при температуре 650-750 °С с последующим помолом продукта обжига. Температура обжига сырья выбирается так, чтобы разлагался только МgСO с образованием МgO. Вяжущее затворяется растворами тех же солей, что и каусти-

112 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

ческий магнезит. Каустический доломит содержит обычно менее 25 % МgO, поэтому прочность образцов при сжатии, изготовленных из растворной смеси состава 1 : 3 жесткой консистенции, в возрасте 28 сут (10-30 МПа) ниже прочности образцов на основе каустического магнезита.

На основе каустического магнезита и доломита можно получать высококачественные строительные материалы с органическими заполнителями (стружкой, опилками) – ксилолит и фибролит.

Фибролит изготавливают из смеси магнезиального вяжущего и древесной стружки длиной не более 500 мм, шириной 1-5 мм и толщиной 0,2-0,7 мм. Из фибролита производят теплоизоляционные, конструкци- онно-теплоизоляционные и акустические плиты.

Ксилолит на магнезиальном вяжущем содержит древесные опилки размером не более 5 мм. Используется при устройстве наливных теплых полов, а также для изготовления плит и подоконных досок.

5.1.3.  Жидкое стекло

Жидкое стекло получают путем обработки водяным паром технического продукта, называемого растворимым стеклом. Растворимое стекло – это прозрачный сплав, состоящий из силикатов натрия или калия:

R O · nSiO ,

где R O – оксиды Na O или К O.

Состав растворимого стекла может изменяться в широких пределах. Одной из качественных характеристик вяжущего является кремнеземистый модуль – отношение числа молей кремнезема к числу молей оксида щелочного металла R O:

n = SiO  / R O .

Кремнеземистый модуль растворимого стекла изменяется в пределах от 2,5 до 3,5. С увеличением модуля несколько повышается качество растворимого стекла как вяжущего вещества.

Сырьем для производства растворимого стекла являются кварцевый песок, сода (Nа СO ), поташ (К СO ), сульфат натрия (Nа SO ). Шихта требуемого состава, состоящая из кварцевого песка и щелочного компонента, расплавляется в ванных печах непрерывного или периодического действия. При температуре 1400 °С компоненты взаимодействуют по реакции

R СO + nSiO → R O · nSiO + СO .

Силикатный расплав выгружают из печи, охлаждают и дробят. Куски силикат-глыбы размером 5-10 см (растворимое стекло) отправляют в ав-

113

токлав и обрабатывают водяным паром под давлением не ниже 0,6 МПа. Процессы растворения заканчиваются через 4-5 ч и раствор поступает в резервуар для отстаивания в течение 3-4 ч. Полученный продукт называется жидким стеклом.

Жидкое стекло применяется в строительстве для изготовления кислотоупорных бетонов. Для регулирования скорости твердения, повышения прочности и водостойкости к жидкому стеклу добавляют катализатор – кремнефторид натрия Nа SiF и наполнитель – молотый кварцевый песок. В качестве наполнителя можно использовать любую измельченную кислотоупорную горную породу.

Жидкое стекло применяют также для уплотнения пористых естественных и искусственных камней и повышения их устойчивости против выветривания. При обработке поверхности бетонов на основе портландцемента жидким стеклом повышается их водонепроницаемость и прочность за счет взаимодействия жидкого стекла с известью и гидроалюминатом кальция. Образующиеся при этом гидросиликаты кальция заполняют поры бетона в поверхностном слое.

5.1.4.  Воздушная строительная известь и материалы на ее основе

Строительной известью называют воздушное вяжущее, получаемое обжигом известняковых или известково-магнезиальных пород и состоящее преимущественно из СаО.

В зависимости от содержания оксидов кальция и магния различают кальциевую (MgO – менее 5 % массы), магнезиальную (MgO – 5-20 %) и доломитовую (MgO – 20-40 %) известь.

Воздушная известь может быть негашеной и гидратной (гашеной). Последнюю получают гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой извести. По зерновому составу негашеную известь подразделяют на комовую (в виде щебня) и порошкообразную (молотую).

Сырьем для производства строительной извести являются известняки, доломитизированные известняки и доломиты, содержащие не более 6 % глины. Эти породы содержат СаСО и некоторые примеси – магнезит, породообразующие минералы глин, кварц и др.

Теоретически СаСО содержит 56 % СаО и 44 % СO  . Углекислый кальций в горных породах встречается в виде минералов кальцита, арагонита, фатерита. Более распространенным является кальцит, плотность его изменяется в пределах от 2,6 до 2,8 г/см³, твердость по минералогической шкале – 3. Примеси в сырье влияют как на свойства вяжущего, так и на технологические параметры его производства.

Из карбонатного сырья, содержащего от 6 до 20 % глины, получают гидравлическую известь, которая состоит из СаО, а также 2СаО · SiO , СаО · Аl O

114 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

и ферритов кальция. Образование при обжиге силикатов, алюминатов и ферритов кальция обеспечивает извести гидравлические свойства.

Производство извести

Негашеную комовую известь (кипелку) получают обжигом извест­ няков. Процессы производства комовой извести включают добычу известняка, подготовку к обжигу и обжиг.

Известняк добывают в карьерах взрывным способом. Размеры обломков горной породы после взрыва могут достигать 500-800 мм и более, поэтому в карьере обычно осуществляют дробление и сортировку. Известняк разделяют на фракции 40-80 и 80-120 мм для шахтных печей, 10-20 и 20-40 мм – для вращающихся печей. Высококачественную известь можно получить только обжигом кусков породы приблизительно одинаковых размеров. При обжиге щебня разных размеров получают неравномерно обожженный продукт с примесью недожога (первичный СаСO ) в центре крупных кусков и пережога (крупнокристаллической извести).

Целью обжига является разложение (декарбонизация) известняка и изготовление продукта с определенной структурой – размерами кристаллов СаО и пор. Реакция разложения (декарбонизации) известняка:

СаСO = СаО + СO – 42,52 ккал/г·моль.

Реакция обратима и ее направление зависит от температуры и парциального давления СО в зоне обжига. Разложение известняка в открытом сосуде начинается при температуре приблизительно равной 900 °С (в зависимости от структуры и состава сырья). Однако, при этой температуре реакция идет сравнительно медленно. Повышение температуры обжига на 100 °С ускоряет процессы декарбонизации примерно в 30 раз. Декарбонизация кусков породы происходит не по всему объему, а с поверхности, и зона разложения перемещается к центру. Поэтому для ускорения процесса в промышленных печах обжиг ведут при температуре 1100-1200 °С. Качество извести зависит не только от содержания оксида кальция, но также и от микроструктуры продукта – размеров и формы кристаллов СаО, размеров и характера пор и их распределения в материале. Процесс обжига сырья при температуре 1100-1200 °С незначительно изменяет объем кусков, выделение СО приводит к образованию открытых пор. При этой температуре получают мелкокристаллическую, сравнительно быстро гасящуюся высококачественную известь.

Повышение температуры обжига свыше 1200 °С, а также увеличение продолжительности приводят к образованию относительно крупных

115

Рис.  5.8.  Шахтная пересыпная печь 1 – выгрузочный механизм; 2 – футеровка;  3 – слой кладки из легковесного кирпича;

4 – слой теплоизоляционной засыпки;

5 – отверстия для установки датчиков уровнемера шихты;  6 – патрубки для отсоса газов;  7 – загрузочное

устройство;  8 – скиповый подъемник; 9 – вспомогательные люки (лазы); 10 – гляделки; 11 – барабанный затвор; 12 – фундаментная плита

кристаллов оксида кальция и уменьшению объема открытых пор в материале­. Такая известь медленно взаимодействует­ с водой, называется пережогом

ине применяется. Замедленная гидратация крупных кристаллов СаО (пережога) при повышенном его содержании в извести может привести к разрушению искусственного камня, получаемого при твердении.

Впроцессе производства комовой негашеной извести применяют шахтные и вращающиеся печи. Наиболее распространены шахтные­ печи, которые отличаются низким расходом топлива и электроэнергии. Это печи непрерывного действия, простые в эксплуатации (рис. 5.8 и приложение, рис. А.46).

Взависимости от вида применяемого топлива и способа его сжигания различают шахтные печи:

–– работающие на короткопламенном твердом топливе – каменном угле, который вводится в печь вместе с известняком. В печи слои известняка

икаменного угля чередуются, поэтому печи называются пересыпными (рис. 5.8);

–– работающие на длиннопламенном твердом топливе – измельченном каменном угле, торфе и других видах топлива, которое сжигается в выносных топках;

116Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

––работающие на жидком и газообразном топливе – мазуте, природном газе и других видах топлива.

В шахтных печах известняк перемещается сверху вниз под действием силы тяжести, а теплоноситель (горячие газы) – навстречу обжигаемому материалу. Противоточное движение материала и горячих газов обеспечивает сравнительно низкий расход топлива и высокую производительность печей. По характеру происходящих процессов шахтную печь разделяют на три зоны:

––зону подогрева, где происходит сушка сырья и его постепенный подогрев до температуры декарбонизации (~850 °С);

––зону обжига (в средней части печи), где происходит разложение известняка и углекислый газ удаляется. Температура обжигаемого материала постепенно повышается до 1200 °С, затем начинается ее снижение приблизительно до 900 °С;

––зону охлаждения, в которой известь охлаждается до 50-100 °С поступающим снизу воздухом. Непрерывное движение воздуха обеспечивается вентиляторами.

Пересыпные печи расходуют меньше топлива, чем печи, работающие на твердом длиннопламенном, жидком или газообразном топливе, более просты по устройству, имеют более высокую производительность и длительный срок эксплуатации, но обжиг сырья в них менее равномерный, известь загрязняется золой. Печи с выносными топками, на жидком топливе и газе менее производительны, но позволяют получить более чистую известь.

Вращающиеся печи применяют сравнительно редко, так как они менее экономичны, однако позволяют использовать пористые известняки (мел, ракушечник, известковый туф) и мелкие фракции щебня, образующиеся при дроблении; допускают возможность полной автоматизации процесса обжига и применения любого топлива – твердого, жидкого и газообразного.

Выгруженная из печи негашеная комовая известь является полупродуктом; перед применением в строительных растворах и бетонах ее подвергают гидратации (гашению) или помолу.

Негашеную молотую известь получают из комовой негашеной из-

вести (кипелки). Процессы производства включают дробление комовой негашеной извести, тонкое измельчение в шаровой мельнице (иногда с введением добавок), упаковку и отгрузку потребителю.

Молотую негашеную известь можно хранить на складе не более 5-10 сут, так как происходят ее гашение парами воды воздуха и карбонизация.

Свойства молотой негашеной извести регламентируются ГОСТ 9179, она подразделяется на 3 сорта. Технические свойства извести приведены в табл. 5.1.

									117
Технические свойства негашеной извести								Таблица 5.1
			Наименование извести
Наименование		Кальциевая				Магнезиальная
						и доломитовая
показателя
					Сорт извести
	1		2		3	1		2	3
Активные CaO + MgO,
не менее:
без добавок	90		80		70	85		75	65
с добавками	65		55		–	60		50	–
Активная MgO,
не более	5		5		5	20 (40)		20 (40)	20 (40)
CO без добавок,
не более	3		5		7	5		8	11
Непогасившиеся зерна,
не более	7		11		14	10		15	20

Нормируется тонкость помола извести. Для всех сортов остаток на ситах с сетками № 02 и № 008 не должен превышать соответственно 1,5

и15 %.

Взависимости от продолжительности гашения различают три разновидности извести: быстрогасящуюся – продолжительность гашения не более 8 мин; гасящуюся со средней скоростью – не более 25 мин; медленногасящуюся  – не менее 25 мин.

Твердение молотой негашеной извести обусловлено ее взаимодейст­ вием с водой с образованием Са(ОН) и получило название гидратного твердения. В соответствии с теорией академика А. А. Байкова процессы твердения извести можно подразделить на три периода:

–– период подготовительный – негашеная известь (СаО) растворяется в воде и образует насыщенный водный раствор.

–– период коллоидации – при взаимодействии воды с молотой негашеной известью образуются частицы Са(ОН) коллоидных размеров и пространственная коллоидная структура – гель. Повышаются вязкость

исопротивление сдвигу известкового теста.

–– период кристаллизации – характеризуется ростом коллоидных частиц, образованием сравнительно крупных кристаллов Са(ОН) за счет продолжающихся процессов гидратации и растворения мелких кристаллов. Кристаллы срастаются и образуют кристаллический сросток – искусственный камень.

118 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Молотая негашеная известь (кипелка) обладает существенными преимуществами по сравнению с гидратной:

––имеет более низкую водопотребность, что объясняется меньшей удельной поверхностью, и приводит к повышению прочности изделий;

––при гидратации СаО химически связывает сравнительно много воды (32,16 % массы СаО), что уменьшает количество свободной (испаряющейся) воды и объем пор, образующихся при испарении. Снижение пористости приводит к росту прочности изделий;

––растворные смеси на молотой негашеной извести (кипелке) сравнительно быстро схватываются и твердеют. При применении гидратной извести (известкового теста) конец схватывания смесей наступает через несколько суток;

––при гидратации и твердении негашеной извести выделяется значительное количество тепла, поэтому растворы быстрее высыхают. Растворные смеси на молотой негашеной извести целесообразно использовать при отрицательных температурах воздуха.

Применение молотой негашеной извести может дать положительные результаты только при соблюдении некоторых обязательных условий:

––при содержании воды в смеси равном 100-150 % массы извести (В/И = 1,0-1,5). Снижение расхода воды до 60-80 % массы извести (В/И = 0,6-0,8) приводит к образованию гидратной извести (пушонки). Интенсивное выделение тепла, нагревание смеси и испарение воды препятствуют образованию искусственного камня. При расходе воды более 200 % массы вяжущего также образуется гидратная известь, но в виде известкового теста, которое твердеет медленно;

––при тонком измельчении извести и отсутствии пережога. Запоз­ далое гашение пережога и крупных кристаллов молотой негашеной извести приводит к неравномерным объемным деформациям, неравномерному нагреванию отформованных изделий, возникновению в них напряжений, которые могут привести к снижению прочности, а иногда и разрушению. Поэтому важным является своевременное снижение температуры при твердении, что обеспечивается увеличением расхода воды, введением замедлителей, например ЛСТ или гипса. Эффективным технологическим приемом является двухступенчатое затворение водой: сначала добавляют 15-20 % воды от общего ее количества (20-30 % массы извести), перемешивают 2-3 мин и выдерживают 30-60 мин. В это время происходит гидратация и интенсивные объемные деформации. Далее вводят еще 80-85 % воды и формуют изделия.

Гидратная известь, известковое тесто и известковое молоко

Гидратная известь (пушонка) – высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением (гидратацией) комовой или молотой негашеной

119

извести. Вода реагирует с известью и обеспечивает превращение оксида кальция негашеной извести в гидрат по реакции

СаО + Н O ↔ Са(ОН) + 15,6 ккал/г·моль.

При гашении гидроксид кальция распадается на мелкие частицы. Это объясняется значительным тепловыделением при гидратации, повышением температуры материала, испарением воды и образованием водяного пара в порах негашеной комовой извести.

Технические свойства гашеной извести зависят от температуры материала при гидратации. С повышением температуры качество извести понижается, поэтому процессы гашения ведут при температуре 50-80 °С, тогда гидратация протекает быстро и при этом образуется высокопластичное известковое тесто.

Теоретически для гашения извести в пушонку необходимо 32,16 % воды от массы СаО; на практике расход воды увеличивают в 2-2,5 раза (60-80 % воды от массы известки-кипелки), так как в процессе гашения извести температура воды повышается и она испаряется.

В заводских условиях процессы производства гашеной извести включают дробление комовой негашеной извести в молотковой дробилке, ее гашение, догашивание в силосе, упаковку и отгрузку потребителю.

Физико-механические свойства извести регламентируются ГОСТ 9179. По стандарту гидратная известь-пушонка подразделяется на два сорта. Основными показателями такой извести являются: содержание активных СаО и МgO, содержание СO , влажность и дисперсность. Количество активных СаО и МgO должно быть не менее 67 и 60 % соответственно для первого и второго сортов, остаток на сите с сеткой № 02 не должен превышать 1,5 % и на сите с сеткой № 008 – 15 %; независимо от сорта, влажность извести должна быть не выше 5 %.

Процесс твердения гидратной извести обусловлен следующими процессами:

а) испарением воды и кристаллизацией Са(ОН) . Испарение воды приводит к росту кристаллов Са(ОН) и их срастанию – образованию структуры твердения;

б) образованием карбоната кальция по реакции

Са(ОН) + СO = СаСО + Н O.

Процессы карбонизации протекают только в присутствии воды. Кристаллы карбоната кальция срастаются друг с другом, а также с кристаллами Са(ОН) и зернами песка, образуя искусственный камень.

Испарение влаги и карбонизация протекают весьма медленно из-за образования на поверхности плотной пленки карбоната и невысокой

120 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

концентрации СO в воздухе (0,03 %). Поэтому в начальный период проч­ ность обеспечивается срастанием кристаллов Са(ОН) .

Строительная известь применяется:

––в штукатурных и кладочных растворах, используемых при относительной влажности воздуха не выше 65 %. Известковые растворы характеризуются высокой связностью и удобоукладываемостью, поэтому известь является одним из основных вяжущих, используемых в строительных растворах;

––для производства бетонов невысоких классов по прочности, работающих при относительной влажности воздуха не выше 65 %;

––в автоклавных (силикатных) изделиях, плотных и пористых, на основе извести и кварцевого песка;

––при производстве смешанных гидравлических вяжущих веществ – известково-шлаковых, известково-пуццолановых и других цементов;

––в известковых красках для наружной и внутренней отделки.

5.1.5.  Производство силикатных (автоклавных) материалов.

Гидротермальная (автоклавная) обработка

Как было отмечено, известь используется также при производстве автоклавных (силикатных) материалов и изделий.

Автоклав – аппарат, закрывающийся герметически, предназначенный для обработки изделий насыщенным водяным паром под давлением выше атмосферного (приложение, рис. А.49).

Промышленные горизонтальные автоклавы изготавливаются из листовой стали и имеют форму цилиндра диаметром 2,0-2,2 м, длиной 17-24 м. Автоклав закрывается крышками либо с одной стороны (тупиковый), либо с двух сторон (проходной) и рассчитан на рабочее давление 8-16 атм. По окончании загрузки автоклава крышки герметически закрываются и начинается гидротермальная обработка путем подачи водяного пара от котельной.

Процесс автоклавной обработки можно подразделить на три периода (рис. 5.9).

В течение первого периода производят подъем давления насыщенного водяного пара от атмосферного до заданного. Продолжительность периода 1–4 ч, иногда его подразделяют на два этапа:

1.Подъем температуры с начала пуска пара в автоклав до установления температуры 100 °C;

2.Повышение температуры от 100 °C до максимальной.

Первый период характеризуется значительным перепадом температур на поверхности и в центре изделия, иногда достигающим 30-50 °C.