СМ 2013

121

Рис.  5.9.  Режим автоклавной обработки

Поэтому температуру и давление в этот период следует повышать медленно, быстрое повышение может привести к разрушению изделий под действием термических напряжений.

Второй период называется изотермической выдержкой, в это время в автоклаве поддерживаются требуемые температура и давление водяного пара. Продолжительность второго периода до 9 ч.

В течение третьего периода давление водяного пара в автоклаве постепенно снижается от требуемого до атмосферного (продолжительность 1-5 ч). Третий период, так же как и первый, иногда разделяют на два этапа: от начала выпуска пара до температуры 100 °C и от 100 °C до 18-20 °C. В этот период также возможно разрушение изделий за счет интенсивного парообразования в порах при быстром снижении давления и возникающих при этом термических напряжений.

Перечисленные периоды автоклавной обработки оказывают существенное влияние на фазовый состав и структуру как связки, так и искусственного камня в целом. Режим автоклавной обработки (температура и давление насыщенного водяного пара, продолжительность периодов и обработки в целом) устанавливается опытным путем или расчетом, в зависимости от состава сырьевой смеси, дисперсности компонентов, формы, размеров изделия.

Режим подбирают так, чтобы получить изделия с требуемыми строи- тельно-техническими свойствами при минимальных затратах. Важными технико-экономическими показателями автоклавной технологии являются степень заполнения автоклава изделиями и продолжительность обработки. Продолжительность автоклавной обработки в заводских условиях составляет от 10 до 16 ч при давлении 8 атм (0,8 МПа) и температуре 174 °C.

122 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Автоклавная обработка сырьевых смесей, состоящих из кварцевого песка и извести, изменяет характер процессов твердения и является основной стадией производства силикатных (автоклавных) материалов. При гидротермальной обработке известь взаимодействует с SiO кварца с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция переменного состава:

хCaO · уSiO  · zH O .

Основность образующихся гидросиликатов (CaO/SiO ) изменяется в пределах от 0,8 до 1,5 и более.

Целью автоклавной (гидротермальной) обработки является синтез гидросиликатов, которые являются связующим веществом (связывают зерна кварцевого песка и образуют искусственный камень высокой прочности)­ . Технические свойства силикатных изделий определяются основностью и микроструктурой образующихся гидросиликатов кальция. Последние, в свою очередь, изменяются в зависимости от состава сырьевой смеси, дисперсности компонентов и режима автоклавной обработки.

Автоклавная технология позволяет получать изделия полной заводской готовности за 10-15 ч.

Автоклавная обработка широко применяется при производстве следующих видов строительных изделий: силикатного кирпича; изделий из плотных силикатных бетонов – панелей внутренних несущих стен, перекрытий и покрытий; изделий из ячеистых бетонов – крупноразмерных панелей, блоков, а также теплоизоляционных материалов (технология ячеистых бетонов изложена в гл. 6 «Бетоны»).

Производство силикатного кирпича

Силикатный кирпич относится к числу наиболее распространенных автоклавных материалов, его изготовляют из сырьевой смеси, содержащей 92-95 % кварцевого песка, 5-8 % строительной извести и 7-9 % воды от массы твердых компонентов. Молотая негашеная известь подвергается дроблению и тонкому измельчению в шаровых мельницах совместно с кварцевым песком или без него (рис. 5.10). Введение молотого кварцевого песка позволяет повысить прочность кирпича. Известь в сырьевой смеси можно заменить сланцевой золой (сланцезольный кирпич), а кварцевый песок – кислыми шлаками и золами (известково-шлаковый и известко- во-зольный кирпич).

После помола известь поступает на гидратацию (гашение). В зависимости от применяемых условий гашения извести различают два способа производства силикатного кирпича – силосный и барабанный.

123

Рис.  5.10.  Технологическая схема производства силикатного кирпича 1 – бункер песка;  2 – мельница для помола извести;  3 – виброгрохот; 4 – транспортеры;  5 – элеваторы;  6 – бункера для извести и песка; 7 – дозаторы;  8 – смеситель;  9 – силосы;  10 – смеситель;  11 – пресс; 12 – вагонетка с сырцом;  13 – автоклав

При силосном способе предварительно приготовленная смесь извести, кварцевого песка и воды направляется в силосы – железобетонные резервуары высотой до 10 м и диаметром до 4 м, где известь гасится в течение 7-12 ч.

При барабанном способе песок и тонкомолотая негашеная известь поступают в бункера над гасильным барабаном.

Из них отдозированные песок и известь периодически загружаются во вращающийся гасильный барабан, который закрывается герметически. В барабане сухие компоненты перемешивают 3-5 мин, затем в него подают насыщенный водяной пар и под давлением до 4 атм гидратация извести производится в течение 40 мин.

По окончании гашения известково-песчаная смесь для дополнительного увлажнения и перемешивания направляется в смеситель и далее поступает на прессование.

Сырец получают прессованием жестких смесей под давлением 15-20 МПа (150-200 кгс/см²) на механических прессах. Сформованный сырец укладывается на вагонетки и направляется в автоклав.

Прочность силикатного кирпича может повышаться и после автоклавной обработки при взаимодействии с СO воздуха:

Са(ОН) + СO = СаСО + Н O .

Силикатный кирпич имеет размеры 250×120×65(88) мм. Водопогло­ щение кирпича – 8-16 %, теплопроводность – 0,70-0,75 Вт/(м·°С), средняя

124 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Рис.  5.11.  Технологическая схема производства изделий из плотного силикатного бетона

1 – щековая дробилка;  2 – ленточный транспортер;  3 – элеваторы; 4 – виброгрохот; 5 – расходный бункер извести;  6 – расходный бункер

песка;  7 – расходный бункер гипса;  8 – бетономешалка; 9 – бункер смеси; 10 – шаровая мельница для совместного помола извести, песка и гипса; 11 – шнековый питатель;  12 – бункер тонкодисперсного сырья; 13 – бункер песка;  14 – мерник воды;  15 – бетономешалка; 16 – расходный бункер формовочной смеси;  17 – бетоноукладчик; 18 – пост формования;  19 – пост выдержки;  20 – автоклав

плотность – 1800-1900 кг/м³, морозостойкость – Мрз 15. Выпускают кирпич марок 75; 100 и 150. Силикатный кирпич применяют так же, как и керамический, но его нельзя использовать для кладки фундаментов из-за пониженной водостойкости и для кладки печей, так как при повышенных температурах он разрушается вследствие дегидратации гидросиликатов кальция и извести.

Производство изделий из плотных силикатных бетонов

Плотные силикатные бетоны получают из сырья различного состава – известково-песчаных (кварцевых) смесей, шлаков, зол, нефелинового шлама и других. Например, силикатные бетоны высокого качества готовят из сырьевой смеси, содержащей 70-80 % кварцевого песка, 8-15 % молотого кварцевого песка и 6-10 % молотой негашеной извести.

Процесс производства изделий из плотных силикатных бетонов на основе известково-песчаных (кварцевых) смесей включает следующие технологические операции: добычу и подготовку кварцевого песка; дробление извести; совместный помол извести, гипса и кварцевого песка в шаровых мельницах; приготовление формовочной смеси путем

125

смешивания немолотого песка с известково-песчаной смесью и водой в бетоносмесителях; формование изделий; предавтоклавную выдержку; гидротермальную обработку и отделку готовых изделий (рис. 5.11).

Изделия формуют из жестких и пластичных смесей. При автоклавной обработке крупноразмерных изделий подъем давления водяного пара занимает 1,5-2,0 ч, изотермическая выдержка – 3-8 ч, снижение давления сравнительно медленное (2-3 ч).

Крупноразмерные изделия из силикатных (автоклавных) бетонов имеют среднюю плотность – 1800-2100 кг/м³, предел прочности при сжатии – 15-40 МПа, морозостойкость – 50 циклов и более. Из силикатных бетонов изготавливают панели внутренних несущих стен, перекрытий и покрытий, пустотные настилы, колонны, прогоны, лестничные площадки и марши, железнодорожные шпалы и тюбинги. В изделия, которые активно работают на растяжение и изгиб, вводят стальную арматуру.

5.2.  Гидравлические вяжущие вещества

5.2.1.  Гидравлическая известь

Гидравлическая известь – продукт обжига мергелистых известняков, содержащих 6-20 % глины, при максимальной температуре t = 900-1100 °С. С увеличением количества глинных минералов температура обжига снижается.

Для характеристики химического состава сырья и вяжущего пользуются гидравлическим, или основным, модулем

m = CaO / (SiO + Al O + Fe O ) = 1,7-9,0 .

Гидравлическая известь подразделяется на слабогидравлическую (m = 4,5-9) и сильногидравлическую (m = 1,7-4,5).

Производственный процесс включает добычу сырья и его дробление (размер кусков 60-150 мм), обжиг преимущественно в шахтных печах, последующее дробление и помол продукта обжига.

Обожженная гидравлическая известь состоит из 2CaO · SiO , CaO · Al O , 2CaO · Fe O , образующихся при обжиге преимущественно путем реакций в твердом состоянии, и из свободных CaO и MgO. Присутствие силикатов, алюминатов и ферритов кальция обеспечивает извести гидравлические свойства, т. е. твердение и сохранение прочности как на воздухе, так и в воде.

При затворении гидравлической извести водой протекают процессы гидратации CaO, силикатов, алюминатов и ферритов кальция с образованием гидроксида кальция, малорастворимых в воде гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция.

126Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Кгидравлической извести предъявляются следующие требования (табл. 5.2).

Характеристика гидравлической извести			Таблица 5.2
Наименование показателей	Слабо­		Сильно­
	гидравлическая		гидравлическая
Предел прочности при сжатии образцов
через 28 сут твердения, МПа:
не менее	1,7		5,0
при изгибе, не менее	0,4		1,0
Остаток (%) на ситах с сеткой:
№ 02, не более	1,5		1,5
№ 008, не более	15		15
Содержание активных CaO + MgO, % :
не менее	40		5
не более	60		40
Содержание активной MgO, %, не более	6		6

Цвет гидравлической извести – желтоватый или серый, истинная плотность ~3000 кг/м³, насыпная плотность в рыхлом состоянии – 500800 кг/м³, в уплотненном – 850-1100 кг/м³.

Гидравлическая известь применяется для изготовления строительных кладочных и штукатурных растворов, твердеющих в сухой и влажной среде; твердение протекает быстрее и равномернее по сравнению с твердением растворов на воздушной извести.

5.2.2.  Романцемент

Романцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, представляющее собой продукт тонкого помола обожженных не до спекания (900-1100 °С) мергелей, содержащих 25 % глины. Романцемент относится к медленнотвердеющим вяжущим веществам. Предел прочности при сжатии образцов через 28 сут должен быть не ниже 25, 50 и 100 кгс/см².

Романцемент состоит главным образом из 2CaO · SiO ; CaO · Al O ; 5CaO · 3Al O ; 2CaO · Fe O , превращается в порошок помолом, не гасится из-за малого количества или отсутствия свободной извести. Применяется в растворах для каменной кладки и в бетонах невысоких классов по прочности.

Наиболее распространенные гидравлические вяжущие (портландцемент и другие) получают спеканием соответствующих сырьевых смесей при обжиге.

127

Классификация гидравлических вяжущих, полученных обжигом сырья до спекания, приведена в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Классификация цементов

	Признак		Тип цементов
	классификации
	По назначению	Общестроительные;
		Специальные
		На основе клинкера:
	По виду клинкера	––	портландцемента;
		––	глиноземистого;
		––	высокоглиноземистого
	По вещественному	Клинкерные (бездобавочные);
	составу	С минеральными добавками
	По скорости	Твердеющие с нормальной скоростью – с нормированием
	твердения	прочности в возрасте 2(7) и 28 сут.;
	(только	Быстротвердеющие – с нормированием прочности в воз-
	общестроительные)	расте 2 и 28 сут.
		Медленносхватывающиеся – с нормируемым временем
	По скорости	начала схватывания более 2 ч;
		Нормальносхватывающиеся – с нормируемым временем
	процессов
		начала схватывания не менее 45 мин;
	схватывания
		Быстросхватывающиеся – с нормируемым временем на-
		чала схватывания менее 45 мин

5.2.3.  Портландцемент

Из применяющихся в строительстве минеральных вяжущих портландцемент является основным, его производство превышает 1 млрд т в год. При производстве портландцемента основной целью является синтез веществ, обладающих вяжущими свойствами и называемых клинкерными минералами. Вяжущее состоит преимущественно из четырех клинкерных материалов:

3CaO · SiO – С S, трехкальциевый силикат – алит; 2CaO · SiO – C S, двухкальциевый силикат – белит; 3CaO · Al O – C A – трехкальциевый алюминат;

4CaO · Al O  · Fe O – C4AF – четырехкальциевый алюмоферрит. Портландцемент получают обжигом сырьевой смеси, состоящей из

осадочных горных пород и промышленных отходов.

128 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Рис.  5.12.  Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом

1 – дробилка;  2 – сырьевая мельница;  3 – шламбассейны; 4 – вращающаяся печь;  5 – холодильник;  6 – склад гипса;

7 – дробилка для гипса;  8 – клинкерная дробилка;  9 – глиноболтушка; 10 – склад клинкера;  11 – цементная мельница;  12 – насос пневматический;  13 – силосы для цемента;  14 – упаковочная машина

1.Карбонатных пород – известняка, мела, ракушечника, известкового туфа и других пород, содержащих CaCO . Содержание этих пород составляет 75-78 % массы сырьевой смеси.

2.Горных пород, состоящих из минералов группы водных алюмосиликатов (nAl O  · mSiO  · pH O) – глин, глинистых сланцев, лёссов. Содержание в сырьевой смеси – 22-25 %.

3.Корректирующих добавок, позволяющих оптимизировать химический состав сырья и понизить температуру спекания при обжиге, – диатомита трепела, туфа, а также промышленных отходов – шлаков, нефелинового шлама.

Технические свойства портландцемента и область его применения в строительстве зависят от химического состава сырья, который устанавливается расчетом по специальным методикам.

Производство портландцемента можно разделить на три этапа: подготовка сырьевой смеси, обжиг сырья и приготовление клинкера, помол клинкера с введением добавок различного назначения.

129

Рис.  5.13.  Бассейн для перемешивания глины (глиноболтушка)

Подготовка сырья

В зависимости от условий подготовки сырья различают несколько способов производства портландцемента.

Мокрый способ. Подготовка сырья производится в присутствии воды. Сырьевая смесь (шлам) может содержать до 40 % воды. Мокрый способ применяется при переработке неоднородного по составу, влажного сырья и характеризуется повышенным расходом топлива при обжиге.

Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом приведена на рис. 5.12.

Поступающий из карьера известняк подвергается двух – или трехстадийному дроблению в молотковых или щековых дробилках. После дробления размер кусков не превышает 10 мм.

Глина измельчается в валковых дробилках и поступает в бассейн, где смешивается с водой (рис. 5.13). Вокруг оси в центре бассейна вращается балка с подвешенными на цепях боронами. В бассейне получают глиняный шлам с влажностью до 45 % .

Дробленый известняк и глиняный шлам из бассейна дозируются и поступают в сырьевую мельницу, где производится измельчение и перемешивание компонентов (рис. 5.14 и приложение, рис. А.48).

Мельница представляет собой стальной цилиндр длиной до 13 м и диаметром до 2,2 м, который вращается вокруг горизонтальной оси. Мельница разделена стальными дырчатыми перегородками на 3-4 камеры и ее стенки облицованы стальными плитами.

Сырье в мельнице измельчается загруженными в камеры мелющими телами, стальными или чугунными шарами и цильпебсом (имеющим цилиндрическую форму). При вращении мельницы мелющие

130 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Рис.  5.14.  Трубная мельница 1 – стальной цилиндр;  2 – торцевые крышки;  3 – цапфы;

4 – подшипники;  5, 6 – перегородки с отверстиями;  7 – лопатки

тела поднимаются на некоторую высоту и падают, обеспечивая дробление, измельчение и перемешивание сырьевых компонентов.

Измельченный шлам из мельницы направляется в коррекционные бассейны, где создается запас шлама, необходимый для непрерывной работы обжиговой печи, и производится контроль химического состава шлама и его корректирование.

Сухой способ, (рис. 5.15) Сырьевые компоненты предварительно измельчаются, высушиваются и смешиваются. При сухом способе сырьевая смесь является тонкомолотым сухим порошком. Сухой способ характеризуется пониженным удельным расходом топлива при обжиге сырьевой смеси.

Глину и известняк, так же как и при мокром способе, подвергают дроблению и гомогенизации. Далее производится дозирование, совместный помол и сушка сырьевых компонентов в шаровой мельнице. Из мельницы порошок направляется в силосы (железобетонные резервуары), где производится дополнительное перемешивание (гомогенизация), контролируется и корректируется состав и создается запас сырья для непрерывной работы обжиговых печей.

В настоящее время проектируются и осуществляется строительство цементных заводов с применением сухого способа подготовки сырьевых компонентов.

Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера

Обжиг сырьевой смеси, приготовленной мокрым способом, производится во вращающихся печах; при подготовке сухим способом – в коротких вращающихся или шахтных печах. Устройство шахтной печи приведено на рис. 5.16 (приложение, рис. А.47).