Лекция 6 Неорганические вяжущие вещества
 Скачать 265.67 Kb.
|
|
1 Лекция №6 Неорганические вяжущие вещества 1. Вяжущие вещества и их классификация. 2. Гипсовые вяжущие. Сырье, принципы производства, основные свойства и область применения. 3. Магнезиальные вяжущие. 4. Воздушная известь. 5. Гидравлическая известь и романцемент. 6. Портландцемент. Сырье и принципы производства, основные свой- ства и область применения. 7. Кислотоупорный цемент. 1. Вяжущие вещества и их классификация. Вяжущие вещества - строительные материалы, предназначенные для объединения и связывания отдельных зерен, кусков и волокон при получе- нии искусственных строительных материалов. Вяжущие подразделяются на минеральные и органические. Минеральными или неорганическими вяжущими веществами называют материалы обычно в виде тонких порошков, способные при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое постепенно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело. Все вяжущие делят по условиям твердения: 1. Воздушные - после затворения способны твердеть, повышать свою прочность и длительно сохранять ее только в воздушно-сухих условиях. 2. Гидравлические - после затворения способны твердеть и длительно сохранять свою прочность как на воздухе, так и в воде. Для набора проч- ности в начальный период и дальнейшего ее роста необходима достаточ- ная влажность окружающей среды. 3. Автоклавного твердения - они способны эффективно твердеть и набирать прочность лишь в условиях гидротермальной обработки (t = 171...200 0 С) в среде насыщенного пара при давлении 0,8...1,6 МПа. 4. Кислотоупорные - способны твердеть на воздухе, достигать опреде- ленной прочности и сохранять ее в среде, в которой присутствуют некото- рые минеральные кислоты. 2. Гипсовые вяжущие вещества 2 Гипсовыми вяжущими называют тонкоизмельченные продукты тер- мической обработки естественных или искусственных разновидностей сульфата кальция. Чаще это природный гипс CaSO 4 *2H 2 O и ангидрит CaSO 4 , реже - побочные продукты химической промышленности - фосфо- гипс, борогипс, фторангидрит. Технологический процесс производства: 1. Добыча гипсовой породы и ее транспортирование к месту перера- ботки. 2. Подготовка сырья - дробление и сушка. 3. Термическая обработка в печах или варочных котлах до частичной или полной дегидратации по схеме CaSO 4 *2H 2 O = (120...170 0 С) CaSO 4 *0,5H 2 O + 1,5H 2 O или = (600...1000 0 С) CaSO 4 + 2H 2 O. В зависимости от температуры термической обработки гипсовые вяжущие делят на низ- кообжиговые (варка) и низкообжиговые. Полуводный гипс может быть - и - модификаций. Строительный гипс является - модификацией, его по- лучение происходит при обычном атмосферном давлении, вода при дегид- ратации улетучивается в виде пара. - модификация является высокопроч- ным гипсом и получается при термической обработке природного гипса под избыточным давлением, когда вода выделяется в капельно-жидком со- стоянии, что способствует меньшему разрыхлению структуры упаковки кристаллов. 4. Тонкий помол продукта обжига. Низкообжиговые гипсовые вяжущие при смешивании с водой способ- ны образовывать пластичное тесто, которое в короткие сроки теряет пла- стичность и затвердевает. Высокообжиговые затвердевают лишь при за- творении их водными растворами солей Na 2 SO 4 , K 2 SO 4 , CaO. С химиче- ской точки зрения происходит взаимодействие полуводного гипса с водой по схеме CaSO 4 *0,5H 2 O + 1,5H 2 O = CaSO 4 *2H 2 O + Q или ангидрита CaSO 4 + nH 2 O + катализатор = CaSO 4 *2H 2 O + катализатор + рH 2 O с последующей кристаллизацией продуктов гидратации. Интенсификации твердения способствует последующая сушка изде- лий, при которой прочность возрастает в 2...3 раза. Свойства строительного и высокопрочного гипсов должны отвечать требованиям ГОСТ 125-79. К основным свойствам относятся: 1. Водопотребность, характеризуется количеством воды, необходи- мым для придания гипсовому тесту нормативной подвижности, и состав- ляет для строительного гипса 50...70%, высокопрочного 30...40%. Химиче- ски связывается воды 18,6% от массы вяжущего, избыточная вода оставля- ет пористость, снижающую прочность гипсового камня. 3 2. Сроки схватывания, характеризуются временем начала загустевания (начало схватывания) и начала твердения (конец схватывания) гипсового теста от момента контакта вяжущего с водой. н. схв., мин к. схв., мин Быстротвердеющие А 2 15 Нормально твердеющие Б 6 30 Медленно твердеющие В 10 - 3. Тонкость помола изучают путем рассева гипсового вяжущего на си- те N 02, по остатку на сите в % определяют гипс Грубого помола I до 23 Среднего помола II до 14 Тонкого помола III до 2 4. Прочность. Марка определяется по показателям прочности на сжа- тие и изгиб образцов-балочек 4х4х16 см Марка Прочность, МПа, не менее Марка Прочность, МПа, не ме- нее R сж R изг R сж R изг Г-2 Г-3 Г-4 Г-5 Г-6 Г-7 2 3 4 5 6 7 1,2 1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 Г-10 Г-13 Г-16 Г-19 Г-22 Г-25 10 13 16 19 22 25 4,5 5,5 6,0 6,5 7,0 8,0 Пример марки - Г-5 АII. Свойства высокообжиговых гипсовых вяжущих: 1. Ангидритовый цемент получают путем обжига при 600...750 0 С с последующим измельчением и добавкой катализаторов н.схв. > 30 мин к.схв. > 24 часов R сж = 15...20МПа 2. Высокообжиговый гипс получают обжигом при 800...1000 0 С с по- следующим тонким помолом н.схв. > 2 ч к.схв. - М 100, 150, 200 Преимущества: а) небольшая плотность камня (Р до 50%); б) несгораемость в) тепло- и звукоизоляция. Недостатки: а) неводостойкость К разм = 0,3...0,4 < 60%; б) значительная хрупкость; 4 в) высокая ползучесть под нагрузкой. Применение гипсовых вяжущих. Низкообжиговые гипсовые вяжущие применяют для получения: а) гипсобетонных панелей внутренних перегородок на легком запол- нителе; б) тепло- и звукоизоляционных плит; в) вентиляционных блоков; г) гипсокартонных и гипсоволокнистых листов; д) штукатурных покрытий; е) архитектурных изделий. Высокообжиговые вяжущие применяют для получения: а) кладочных и штукатурных растворов; б) бесшовных полов; в) легких бетонов; г) отделочных материалов - искусственный мрамор. 3. Магнезиальные вяжущие Тонкоизмельченный продукт умеренного обжига магнезита (700...800 0 С) или доломита (650...750 0 С) или брусита (500…1100 о С). Он состоит в основном из MgO. При обжиге дробленого сырья происходит декарбонизация: MgCO 3 = MgO + CO 2 - каустический магнезит MgCO 3 *CaCO 3 = MgO*CaCO 3 + CO 2 - каустический доломит или дегидратация Mg(OH) 2 = MgO + H 2 O. Завершают производство тонким помолом. Магнезиальные вяжущие твердеют и набирают прочность лишь при затворении водными растворами магнезиальных солей MgCl 2 *6H 2 O, MgSO 4 *7H 2 O и некоторых природных солей. Свойства магнезиальных вяжущих н.схв. > 40 мин. к.схв. < 10 часов М 100 … 600 Преимущества: а) магнезиальный камень обладает высокой адгезией с минеральным и особенно органическим заполнителем; б) предотвращает загнивание органического наполнителя; в) высокая прочность, низкая истираемость, не пылит, не искрит. Недостатки: а) малая водостойкость; б) высолообразование при избыточной дозировке хлоридов. 5 Применяют для изготовления ксилолита и фибролита, штукатурных растворов, покрытий полов, отделочных материалов. 4. Воздушная известь. Воздушная строительная известь - вяжущее вещество, получаемое обжигом не до спекания кальциево-магниевых карбонатных горных пород и состоящее в основном из СаО. Основным технологическим процессом является обжиг дробленой по- роды при 1000...1200 0 С в шахтных или вращающихся печах, в процессе которого происходит декарбонизация: СаСО 3 = СаО + СО 2 Продуктом обжига является комовая негашеная известь, которая представляет собой весьма пористый кусковой материал, состоящий в ос- новном из мелких кристаллов СаО, что и предопределяет ее высокую ре- акционную способность при взаимодействии с водой. Комовая известь - полупродукт, который для превращения в вяжущее предварительно измельчают двумя способами: а) механическое диспергирование помолом в мельницах - молотая негашеная известь (кипелка); б) химическое диспергирование гашением водой. Гашение извести заключается в том, что вода, соприкасаясь с кусками негашеной извести, поглощается ею, всасываясь в поры, и одновременно взаимодействует с выделением теплоты 65,5 кДж/кг, которая переводит часть воды в парообразное состояние. СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2 + Q Пар вызывает в извести внутренние растягивающие напряжения, под действием которых происходит ее измельчение в тонкий порошок. В зависимости от количества воды, взятой при гашении, можно полу- чить гидратную известь-пушонку (влажность 3...5%), известковое тесто (И/В = 1:1), известковое молоко - суспензию Са(ОН) 2 в воде. Свойства воздушной извести должны отвечать требованиям ГОСТ 9179-77. 1. Различают: кальциевую известь MgO до 5% магнезиальную MgO = 5...20% доломитовую MgO = 20...40% 2. Сорт извести определяется по суммарному содержанию (CaO + MgO)%, не менее Сорт I II III Негашеная кальциевая 90 80 70 Негашеная магнезиальная и доломитовая 85 75 65 6 Гидратная 67 60 - 3. Различают 3 вида извести по скорости гашения: быстрогасящуюся до 8 мин. среднегасящуюся до 20 мин. медленногасящуюся более 25 мин. 4. Тонкость помола - проход через сито 008 не менее 90%. Известь обладает большой водопотребностью и высокой пластично- стью. Твердение и набор прочности известковых растворов протекает до- статочно медленно и к 28 суткам R сж составляет 2...3 МПа. Исходя из этого воздушную известь применяют: 1) в кладочных и штукатурных растворах; 2) в низкомарочных бетонах; 3) в смешанных вяжущих - известково-шлаковых, известково- зольных, известково-пуццолановых; 4) как пигмент и вяжущее в красочных составах; 5) для производства автоклавных материалов. 5. Портландцемент. Портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонко- го совместного измельчения клинкера (95...97%), двуводного гипса (3...5%). ПЦ с минеральными добавками дополнительно содержит мине- ральные гидравлические или пуццолановые добавки. Клинкер - продукт обжига до спекания сырьевой смеси состава, обес- печивающего преобладание в нем силикатов кальция. СаО - 62...68% SiO 2 - 18...26% Al 2 O 3 - 4...9% Fe 2 O 3 - 0,3...6%. Исходя из этого, для производства портландцемента следует приме- нять сырьевые материалы, которые содержат много карбоната кальция и алюмосиликатов. Состав сырья: а) известковый компонент - известняки, мел, ракушечник; б) глинистый компонент, содержащий алюмосиликаты и оксид желе- за, - легкоплавкие глины, мергели; в) корректирующие добавки - глинистые, кремнеземистые (кварц, пе- сок, опока, трепел), железосодержащие. 7 Качество цемента определяется минералогическим составом клинке- ра, который колеблется в следующих пределах Минерал Формула Условное обо- значение Содержание, % Трехкальциевый силикат 3СаO*SiO 2 C 3 S алит 40...65% Двухкальциевый силикат 2CaO*SiO 2 C 2 S белит 20...30% Трехкальциевый алюминат 3CaO*Al 2 O 3 C 3 A 5...12% Четырехкальцие- вый алюмоферрит 4CaO*Al 2 O 3 *Fe 2 O 3 C 4 AF целит 10...20% Алит очень активен в реакции с водой, быстро твердеет, достигая большой прочности в ранние сроки твердения. Активность белита значи- тельно меньше, набирает достаточно высокую прочность в поздние сроки твердения. Алюминат наиболее активный минерал, твердеет чрезмерно быстро, что сдерживается добавкой гипса. Дает низкую прочность. Целит отличается средней активностью и быстротой твердения. Гипсовый камень вводят в состав портландцемента на завершающей стадии производства при помоле клинкера. Он выполняет роль добавки, замедляющей сроки схватывания цемента. Общая технологическая схема производства: 1. Добыча сырьевых материалов. 2. Приготовление сырьевой смеси включает дробление, помол и сме- шивание компонентов. Существует 3 способа: мокрый - измельчение и смешивание производят в присутствии большого количества воды (32...45%) с последующей гомогенизацией в шлам-бассейнах; сухой - суш- ка, дробление, измельчение и смешивание компонентов при помощи сжа- того воздуха; комбинированный - полученный шлам обезвоживают до 16...18%, гранулируют и обжигают в коротких печах. 3. Обжиг сырьевой смеси производят во вращающихся печах (диамет- ром 3...7 м., длиной 185...230 м) по принципу противотока. По ходу движе- ния в печи сырье претерпевает множество физико-химических превраще- ний: испарение влаги и грануляция (100...200 0 С), выгорание органики и де- гидратация глинистых минералов (до 600 0 С), декарбонизация известкового компонента (800...1200 0 С), идут реакции в твердой фазе с образованием минералов C 2 S, C 3 A, C 4 AF (800...1300 0 С), частичное плавление сырья в зернах гранулах и растворение образовавшихся минералов с образованием нового соединения C 3 S, охлаждение (1300...1100 0 С) с кристаллизацией 8 большей части расплава, примерно 6...10% застывает в виде клинкерного стекла. 4. Помол гранул клинкера совместно с гипсовым камнем и другими добавками в трубных шаровых многокамерных мельницах. Твердение портландцемента – сложный комплекс химических, физи- ко-химических и физических процессов, которые переплетаются и взаимно обусловливают друг друга. С химической точки зрения твердение цемента - это переход безвод- ных клинкерных минералов в водные за счет реакции гидратации 2(3СaO*SiO 2 ) + 6H 2 O = 3CaO*SiO 2 *3H 2 O + 3Ca(OH) 2 2CaO*SiO 2 + 4H 2 O = 3CaO*SiO 2 *3H 2 O + Ca(OH) 2 3СaO*Al 2 O 3 + 6H 2 O = 3CaO*Al 2 O 3 *6H 2 O 4СaO*Al 2 O 3 *Fe 2 O 3 + 3Ca(OH) 2 + 16H 2 O = 3CaO*Al 2 O 3 *6H 2 O + 4CaO*Fe 2 O 3 *13H 2 O Этот сложный механизм твердения сопровождается физико- химическими процессами превращения превращения порошка вяжущего в пластичное тесто после затворения водой, которое затем загустевает и за- твердевает, превращаясь в искусственный камень. Обязательным условием полноценного протекания процесса тверде- ния цементного камня в растворах и бетонах является создание влажных условий следующими способами: а) средой насыщенного пара; б) поливкой бетона водой; в) покрытие поверхности бетонных изделий мокрой тканью или опил- ками, а также паронепроницаемыми пленками; г) твердение изделий в бассейнах с водой. Повышение температуры при сохранении влажной среды способству- ет значительному ускорению твердения бетона: 15...20 0 С - нормальная температура, 60...100 0 С - температура тепловлажностной обработки, до 200 0 С при давлении до 1,6 МПа - автоклавная обработка. При отрицательных температурах вода переходит в лед, гидратация прекращается. Твердение бетона в таких условиях обеспечивается только при прогреве или применении противоморозных добавок. Существуют добавки-ускорители и замедлители твердения бетона. к ускорителям относятся неорганические соли - поташ, хлорид кальция и др. К замедлителям относятся некоторые органические кислоты, сахара, ПАВ. Основные свойства ПЦ должны отвечать требованиям ГОСТ 10178- 98. 1. Прочность характеризуется двумя показателями предела прочности при сжатии и изгибе, полученными в результате испытаний стандартных образцов балочек размерами 4х4х16 см, изготовленных из цементно- 9 песчаного раствора состава 1:3 и испытанных после твердения в течении 28 суток в нормальных влажных условиях. Марка Предел прочности, МПа, не менее ПЦ R сж R изг 400 500 550 600 39,2 49,0 53,9 58,8 5,4 5,9 6,1 6,4 2. Тонкость помола характеризуется проходом через сито N008 не <85%. 3. Удельная поверхность 2500...3000 см 2 /г. 4. Водопотребность характеризуется количеством воды, которое необходимо для приготовления теста нормальной густоты (24...28%). 5. Сроки схватывания: начало не ранее 45 мин., конец не позднее 10 часов. 6. Плотность вещества клинкерных зерен 3,05...3,2 г/см 3 , насыпная плотность 900...1300 кг/м 3 Помимо рядового существует множество разновидностей портланце- мента: быстротвердеющий, сульфатостойкий, пластифицированный и гид- рофобизированный, белый и цветной, пуццолановый и шлакопортландце- мент, ГЦПВ, глиноземистый, расширяющийся и напрягающий. Это опре- деляет широкую область применения портландцемента: 1. Производство сборного железобетона. 2. Изготовление монолитных бетонных и железобетонных конструк- ций. 3. Производство строительных растворов высоких марок. 4. Производство асбестоцементных изделий. 5. Производство изделий автоклавного твердения. 6. Производство теплоизоляционных материалов и изделий. 7. Для архитектурно-отделочных работ. 8. Аварийные, ремонтные и восстановительные работы. В процессе эксплуатации цементный камень в бетонах и растворах может подвергаться коррозии и разрушению. Одним из самых агрессивных воздействий на цементный камень является воздействие воды, поэтому наиболее эффективными конструктивными и технологическими мерами защиты цементного камня являются: а) интенсивное уплотнение бетонных смесей при укладке; б) использование смесей с минимальным водоцементным отношени- ем; в) использование добавок-гидрофобизаторов; 10 г) применение защитных гидроизоляционных покрытий: облицовки, обмазки, оклейки. 7. Кислотоупорный цемент. Основным компонентом кислотоупорного цемента является жидкое стекло. Жидкое водорастворимое стекло (силикатный клей) - технический продукт, который получают обжигом смеси кварцевого песка и соды при 1300...1400 0 С, состоящий из щелочных силикатов Na 2 SiO 3 (Na 2 O*nSiO 2 ). Раствор жидкого стекла твердеет только на воздухе при испарении воды из него, при этом повышается концентрация коллоидного кремнезе- ма, происходит его уплотнение. Твердение существенно ускоряют при введении добавки ускорителя кремнефтористого натрия: 2Na 2 SiO 3 + 6H 2 O + Na 2 SiF 6 = 3Si(OH) 4 + 6NaF Жидкое стекло используют как вяжущее для жаростойких и огне- упорных бетонов, для огнезащитных обмазок и красок, для кислотоупор- ных цементов и бетонов. Кислотоупорный цемент - тонкоизмельченная смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, которая затворяется жидким стеклом. Свойства: 1. Сроки схватывания: н.схв > 20...40 мин., к.схв. < 8 часов 2. Тонкость помола - остаток на сите N008 < 10% 3. Прочность на сжатие 30...40 МПа. 4. Кислотостойкость - определяется по потере массы при кипячении в серной кислоте - не более 7%. Недостатки: низкая водостойкость и щелочестойкость. Для повышения кислотостойкости, плотности и прочности поверх- ность бетонов специально обрабатывают соляной или серной кислотой. Na 2 SiO 3 + H 2 O + 2HCl = Si(OH) 4 + 2NaCl Применяется для приготовления кислотоупорных растворов и бето- нов, можно склеивать штучные химически стойкие материалы, а также для футеровки кислотных башен и хранилищ. |