Неорганічні в`яжучі мінерали
Мінеральні в`яжучі будівельні матеріали мають вигляд тонкоизмельченного порошку, який з водою утворює пластичну масу, здатну тверднути і переходити в каменеподібний стан. Вони є необхідним компонентом виробництва штучних кам`яних матеріалів - силікатних блоків, цегли, бетонних конструкцій та ін. Залежно від умов твердіння вони поділяються на повітряні, гідравлічні та автоклавні Повітряні в`яжучі речовини при змішуванні з водою твердіють і зберігають міцність тільки в повітряному середовищі (будівельний гіпс , вапно). Вони використовуються в створенні будівельних елементів, які не відчувають вплив води. У водному середовищі такі в`яжучі матеріали не тверднуть, а конструкції з них втрачають міцність і руйнуються. Гідравлічні в`яжучі речовини здатні тверднути і зберігати міцність на повітрі і в воде.sup1- Цю групу складають гідравлічне вапно, різні види цементу. Завдяки універсальності властивостей, здатності формувати міцний штучний кам`яний будівельний матеріал, який зберігає споживчі якості в різних середовищах, цемент має широке застосування і є основним в`язким матеріалом. До в`язких матеріалів автоклавного твердіння відносять вапняно-кремнеземисті, шлакові і зольні матеріали. Для їх твердіння оптимальні умови утворення моноліту - середовище насичення парою і підвищеного тиску в автоклавах. Вони використовуються у виготовленні силікатної цегли. Можливість утилізувати відходи промисловості, забезпечити міцну зв`язку будматеріалів при низьких температурах, без застосування високотемпературних в`яжучих матеріалів сприяють в перспективі широкому застосуванню цієї групи речовин.
Силікатна цемент - порошкоподібний продукт, виготовлений спеканием сировинної суміші певного складу з утворенням клінкеру і тонким його помелом. Сировиною для виробництва цементу є карбонатні (вапняк, крейда, мармур) і глинисті породи (глина, лес, суглинок, глинисті сланці і ін.). Замість глин застосовують діатоміт, трепел, близьку за хімічним складом золу горючих сланців, вугілля, доменні шлаки. Комплексним сировиною для виготовлення цементу є відходи глиноземного виробництва. Для отримання високоякісного цементу співвідношення карбонатних і глинистих порід має бути відповідно 3 до 1 від загальної маси сировини. Вапняки, що містять більше 10% глинистих матеріалів, називають мергелями. Якщо мергель складається на 75-78% з кальциту (СаСОsup3-) і 18-20% глинистих речовин, то він представляє готову суміш для вироблення цементу. Такий мергель називають цементним. Його в природі мало. Тому в основному цемент отримують зі штучної суміші. Виробництво силікатної цементу складається з видобутку і транспортування, підготовки і приготування сировинної суміші, отримання клінкеру, його подрібнення і змішування з добавками.
Видобуток сировини ведуть відкритим способом. Доставку на цементний завод виробляють переважно автомобілями. Залізничний транспорт застосовують при транспортуванні сировини на відстань більше 10 км. З кар`єрів на завод сировину транспортують конвеєрами, по трубопроводах. Сировинну суміш отримують мокрим і сухим методом. Від особливостей цієї стадії залежить і назва способу виробництва цементу. При мокрому способі подрібнення і змішування сировинних компонентів проводять у вологому середовищі з додаванням до 45% води від маси сухих матеріалів. Отримують суміш у вигляді шламу. При цьому полегшується перемішування сировини, транспортування його по трубопроводах, поліпшуються санітарно-гігієнічні умови купа (рис. 25). Сухим способом підготовку сировини здійснюють без води, що знижує витрати на підготовку суміші, випал сировини. Тому сухий спосіб більш ефективний і визначає перспективні набавленія розвитку цементної промисловості.
Сировинну суміш подають на випал в підняту частину циліндричної обертової печі, а з протилежного боку надходить паливо. Піч футерована всередині вогнетривкою цеглою і має діаметр 4-7 м і довжину до 230 м. Для просування пекучого матеріалу піч має невеликий ухил у бік подачі палива (газоподібне, рідке, тверде). Найбільш ефективний його вид - газ. Його застосування знижує питома витрата палива, прискорює процес випалу, підвищує продуктивність печей і продуктивність праці в порівнянні з вугіллям. Спалювання твердого палива утворює золу. Вона потрапляє в клінкер, змінює його склад і погіршує якість продукту (рис 25).
Сировинна суміш від завантажувального частини переміщається в сторону ухилу. З поступовим підвищенням температури до 1450 ° випаровується волога, вигорають органічні речовини, глина розкладається на оксиди, розпадаються карбонати з утворенням вапна і вуглекислого газу. При 1200-1300 ° в твердому стані вільна вапно з`єднується з оксидами кремнію, алюмінію, заліза і утворює клінкеру мінерали, які в зоні максимального нагріву (зона спека) частково плавляться і спікається з освітою клінкеру. Його швидко охолоджують до 1100 ° (в зоні охолодження). Рідка фаза застигає з частковим переходом в склоподібний стан, виділенням кристалів. Чим швидше охолоджують клінкер, тим більше склоподібної частини, тим краще його якість. Отже, цементна піч має зони висушування і розкладання сировини, спікання і охолодження. Надалі клінкер охолоджують повітрям в холодильниках. Охолоджуваний клінкер представляє масу спеклися кальцієвих силікатів, алюмінатів в формі гранул розміром 10-15 мм. Для гасіння вапна клінкер витримують 15-20 діб на складі. При цьому знижується його міцність. Клінкер подрібнюють у кульових млинах до тонкого помелу. Від цього процесу залежить якість цементу. Зерна тонких фракції забезпечували зростання міцності в першу добу тверднення, а великі (10-30 мк) в більш віддалені терміни. До клінкеру для регулювання оплюваність додають гіпс (до 3%), до 15% активних мінеральних добавок, що збільшують корозійну стійкість, і не більше 10% інертних.sup1- Мінеральні добавки бувають природні (вулканічні - туф, попіл, пемза, осадові - діатоміт, трепел, опока) і штучні (доменний шлак, зола, сієніт шлам). За призначенням добавки ділять на активні, пасивні, що регулюють схвативаемость цементу і ін. Активні (гідравлічні) добавки: трепел, пемза, туф, зола, доменні шлаки та ін. Підвищують стійкість конструкцій проти впливу води, в тому числі містить мінеральні солі. Інертні добавки (пісок, вапняк, доломіт, мергель, зола, шлак) застосовують для зменшення витрати в`яжучих речовин. Хлористий кальцій, натрій, розчинне скло, соляна кислота, сода і ін. Прискорюють схвативаемость, твердіння цементу. Уповільнюють ці процеси гіпс, сірчана кислота, сірчанокисле залізо. Органічні речовини: сульфітно-спиртова барда, омиленої деревне пек підвищують морозостійкість бетонів, знижують витрату в`яжучих матеріалів. Пластичність розчинів, зменшення їх водовідштовхувальних властивостей надають глини, трепел, бетоніт, діатоміт. Добавки у вигляді розчинів емульсій вводять безпосередньо в розчин, всі інші в основному під час помелу цементу. Для зменшення енергетичних витрат при подрібненні при подрібненні клінкеру вводять не більше 1% від загальної маси інтенфікатора: вугілля, сажу та ін.
Портландцемент може випускатися і без добавок. Якщо частка добавок перевищує 1%, то цемент в залежності від них отримує додаткову назву - пуццоланоний, шлакопортландцемент. Отримання клінкеру сухим способом знижує витрату палива на випаровування води з сировини. Зона висушування сировини в тунельної печі коротше, що зменшує її довжину, знижує капітальні вкладення при будівництві та експлуатації підприємстві.
Промисловість випускає різні види цементу з певними властивостями. Пластифікаційних і гідрофобний портландцемент містить невелику частину добавок (0,1-0,3% від маси цементу). Як пластифікаційних добавок застосовують сульфітно-дріжджову бражку, гідрофобних - олеїнову кислоту та інші органічні сполуки. Вони утворюють на зернах цементу плівку. В результаті підвищується його пластичність, морозостійкість, знижується гігроскопічність.
Швидкотвердіючий - містить підвищену частку мінералу аліта (понад 53%), обмежена кількість вапна (до 0,5%) і до 10% мінеральних добавок, а доменних шлаків не більше 15% маси. Він характеризується більш тонким помелом. Такий цемент застосовують для виготовлення залізобетонних конструкцій в заводських умовах, зведення споруд з монолітного бетону, тобто в тих умовах, коли необхідно скоротити процес схоплювання цементу, виробничий цикл. Сульфатостійкий портландцемент використовують в конструкціях, що експлуатуються в умовах з підвищеним вмістом сульфатів, при систематичному зволоженні і висиханні, заморожуванні і відтаванні. Він не має мінеральних добавок і містить нормоване кількість кальцієвих алюмінатів (22%) і силікатів (більше 50%). Дорожній цемент характеризується підвищеною морозостійкістю, міцністю, стійкістю до стирання і ударів. Такий цемент містить підвищену частку мінералу аліта, обмежена кількість алюмінатів і до 15% доменного шлаку. Білий і кольоровий цемент отримують з чисто білого вапняку, крейди, мармуру, каоліну і беззольного палива. Такий клінкер практично не містить залізистих сполук. Вводять добавки білого доломіту, гіпсу, синтетичні і природні пігменти, що додають жовтий, рожевий, коричневий і інші кольори. Собівартість такого цементу більше вартості звичайного цементу. Білий і кольоровий цемент застосовують для оздоблювальних, штукатурних розчинів. Для заповнення простору між трубою свердловини і породою виробляють тампонажний портландцемент. Він містить малу частку алюмінатів (до 5%) і підвищену частку мінералу Беліта і добавки, казеїну, сульфітно-дріжджової бражки, борної кислоти. Цементне тісто має хорошу розчинність, швидку схвативаемость. Пуцолановий * портландцемент містить до 3,5% гіпсу, 25-40% вулканічних добавок або 20-30% осадових порід і клінкер нормованого складу. Застосовують його для каналізаційних і морських споруд, експлуатованих в постійному контакті з водою. Шлакопортландцемент містить до 60% доменних шлаків. Так само як пуццолановий цемент він має високу корозійну стійкість в морській і сульфатних водах. Однак міцність знижується при частому заморожуванні і відтаванні, зволоженні і висиханні. До пуцолановому і шлакових цементу додають до 35% комовой вапна і отримують вапняно-пуццолановий і вапняно-шлаковий цемент. Ці види цементу мають низьку собівартість, достатню водостійкість і застосовують для приготування штукатурних і кладок розчинів. Таким чином, види і властивість цементу залежать від складу (хімічного, мінерального), сировинних компонентів, якості випалу і тонкості помелу клінкеру, особливостей мінеральних добавок.
При змішуванні цементу з водою утворюється пластична маса - тісто, яке поступово густіє і переходить в камневидное стан. Процес набору міцності триває місяці і роки. Швидкість твердіння залежить від мінерального складу. Швидше твердіють мінерали аліта і трехкальциевого алюмінат, повільніше - Балита. Швидкість твердіння підвищується зі збільшенням часток тонкого помелу, введенням добавок (хлористого кальцію), гідротермальної обробкою - підвищенням температур в період твердіння.
Якість цементу характеризується його маркою. Вона визначається межею міцності при стисненні дослідного зразка з пластичного розчину цементу і нормального піску в співвідношенні по вазі 1: 3 через 28 днів після замішування і виражається в кілограмах на 1 кв.см. Отже, чим більше марка, тим міцніше цемент. Випускають цемент марок 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700 зі зміною межі міцності при стисненні відповідно від 50 до 700 кг / см . Передбачається випуск портландцементу марок 800-1000.
Глиноземистий цемент виробляють з вапняку і бокситів спіканням, як і портландцемент, але переважно плавленням в електропечах, вагранці, домні одночасно з металом як побічний продукт - шлак (клінкер). Це досягається підбором флюсів при плавці. Глиноземистий клінкер складається з кальцієвих алюмінатів, що володіють високою термостійкістю. Тому з такого цементу виготовляють жаростійкі матеріали. Бетон з глиноземистого цементу більш щільний і водонепроникний, стійкий проти сульфатних сполук, мінералізованих вод, ніж простий портландцемент. Сутність твердіння аналогічна даному процесу силікатних цементів. При взаємодії кальцієвих алюмінатів з водою утворюються кальцієвий гідроалюмінати і гідрат окису алюмінію.
Освічені речовини кристалізуються і перетворюються в штучний камінь. Процеси кристалізації протікають швидко, що обумовлює швидке схоплювання цементного тесту, наростання міцності. Тому глиноземний цемент - швидкотвердіюче скорозшивач. Його застосовують для конструкцій, що піддаються впливу підвищених температур, мінералізованих вод, сірчистих газів, перемінного заморожування і відтавання, зволоження і висихання при швидкісному будівництві, аварійних, тампонажних роботах. Однак твердіння цементу при температурах понад 30 знижує показники міцності бетону, що вимагає дотримання температурного режиму для отримання якісних будівельних матеріалів.
Добавкою до глиноземистому клінкеру до 30% природного гіпсу отримують глиноземистий цемент, що розширюється. При твердінні у воді він розширюється, в повітрі з достатнім зволоженням не дає усадки. Ці властивості, а також висока водонепроникність дозволяють готувати з нього безусадочние, водонепроникні розчини для замазки швів, стиків, тріщин бетону, гідроізоляції та інших цілей. Однак присутність гіпсу знижує термостійкість конструкцій, які можливо експлуатувати при температурах не більше 80.
На 1 т силікатної клінкеру витрачають 1,6 т сировини, близько 250 кг умовного палива (в окремих випадках до 360 кг). Оснащення підприємств продуктивними цементними печами знижує витрату палива до 200 кг, а застосування сухого способу виробництва - до 120 кг на одну тонну, або майже в 2 рази в порівнянні із середнім показником. Коефіцієнт корисної дії пічних агрегатів невисокий. Майже половина енергії палива, що спалюється в цементних печах викидається в повітря з продуктами горіння, гарячим клінкером, через поверхню печей. Підвищена матеріаломісткість виробництва цементу обумовлює розміщення підприємств поблизу сировинних ресурсів. Використання різноманітних первинних і вторинних ресурсів формує виробництво цементу біля родовищ карбонатної сировини, а також в поєднанні з підприємствами чорної металургії, тепловими електричними станціями, які спалюють тверде паливо, глиноземних заводами, переробними нефелінового сировину. Таке комбінування дозволяє отримати найбільш дешевий цемент і вирішувати екологічні проблеми в центрах металургії, в районах теплових станцій.
Широке територіальне поширення первинних і вторинних ресурсів для виробництва цемент обумовлюють незначні міжрайонні його перевезення. При завезенні цементу з далеких районів у джерел сировини доцільно виробляти напівфабрикат клінкер, а у споживача - з нього різні види цементу на основі місцевих добавок, так як з 1 т клінкеру можна отримати до 1,5 г цементу і знизити тим самим транспортні витрати приблизно на 1/3.
Гіпсові в`яжучі матеріали отримують випалюванням сировини при низьких (110-180 °) і високих температурах (600-900 °). Високообжіговие гіпсові матеріали (ангідритовий цемент, високообжіговий гіпс) виробляли в обмежених обсягах. Основу гіпсових в`яжучих речовин складають нізкообжіговие (високоміцний гіпс, будівельний гіпс).
Сировиною для гіпсових в`яжучих речовин є природний гіпсовий камінь, що складається не менше 90% з двухводного гіпсу (CaSO4middot-2H2O), Відходи хімічної промисловості, які на 80-90% складаються з двухводного гіпсу (фосфогіпс). Видобуток сировини проводять відкритим способом. Кусковий гіпсовий камінь дроблять, подрібнюють в млинах і в порошкоподібному стані обпалюють в печах, що обертаються, з киплячим шаром, а переважно в виручених котлах. При підвищених температурах відбувається дегідратація сировини з утворенням полуводного сірчанокислого кальцію і води. Пари води проходять через шар порошку і створюють ефект кипіння (варіння), що зумовило і назву основного обладнання. Отримують будівельний гіпс.
Змішуючи будівельний гіпс з водою, відбувається його гідротацієй, і він знову перетворюється в кристали двухводного гіпсу у вигляді твердою залишку. Швидкість схоплювання і твердіння значно більше, ніж у цементу. Початок схоплювання гіпсового тесту настає через 4 хв і завершується не пізніше 30 хв після замішування. Міцність виробів з гіпсу в 5-14 разів менше, ніж у цементу марок 300-700, а собівартість така, як і цемента.sup1- Будівельний гіпс має невисоку термостійкість, його дегідротація починається при 65 °. Він застосовується для будівельних конструкцій (панелі, суха штукатурка, декоративні та оздоблювальні матеріали та ін.), Які експлуатуються всередині будівель.
Високоточний (технічний) гіпс виробляють обробкою сировини в герметичних апаратах під тиском. Отримують щільні кристали полугидрата. Вироби з такого гіпсу витримують тиск, як і продукція з цементу марки 300.
Відео: В`ЯЖУЧІ матеріали цемент
Випалюванням гіпсового каменю при 600 ° одержують ангідритовий цемент - нерозчинний ангідрит. Його суміш з сульфатом натрію, вапном, доменними шлаками, золою набуває в`яжучі властивості ангідритного скорозшивач можна отримати без випалу помелом гіпсового каменю з застосуванням названих добавок.
Високообжіговий гіпс виробляють нагріванням гіпсового каменю до 700-1000 °. При таких температурах частково розкладається сірчанокислий кальцій з утворенням вапна, сірчистих газів і кисню. Отримують продукт з нерозчинного ангідриту (СаSПро4) І вапна, який, як і ангідритовий цемент володіє терпкими властивостями.
Повітряна будівельна вапно буває негашеним (СаО) комовой, меленої і гашеного Са (ОН)2 у вигляді порошку. Її отримують з карбонатних і карбонатно-магнієвих порід - вапняку, крейди, мармуру, доломіту, магнезиту. Сировина видобувають відкритим способом, дроблять і подрібнюють, обпалюють в шахтних, обертових печах, в киплячому шарі, на спікальних решітках. Випал проводять при 1000-1200 °, не доводячи сировину до спікання. Відбувається розкладання карбонатів з утворенням окису кальцію, магнію і вуглекислого газу.
Вуглекислий газ відводять з продуктами горіння. Залишок термічного розкладання утворює комовую вапно. При цьому з газом видаляється до 44% ваги вапняку, і обсяг зменшується тільки на 10%.
Відео: Органічні в`яжучі
Це свідчить про високу пористість комовой вапна. В результаті випалення, як і при отриманні гіпсу, змінюється склад сировини, і отримують нову речовину з в`яжучими властивостями. Комовую вапно для споживання в якості в`яжучого речовини подрібнюють в млинах і отримують мелене вапно. Її випускають в чистому вигляді або з мінеральними добавками доменного шлаку, золи, вулканічних порід, кварцового піску, гіпсового каменю, карбонатних порід. В останньому випадку вапно називають карбонатної. Додаванням до комовой вапна води отримують гашене (гідратне) вапно у вигляді порошку [Са (ОН)2]. Назва вапна залежить також від хімічного складу. За змістом окису магнію виділяють магнезіальних (до 20% МgО) і доломітове вапно (20-40% МgО).
Зв`язують властивості вапна засновані на здатності гідратів окису кальцію втрачати вологу і кристалізуватися на повітрі. Кристали поступово з`єднуються і порадують твердий зросток. Тому повітряне вапно в негерметичних тарі з моменту виготовлення зберігається не більше 18 діб, так як від повітряної вологи вона гаситься і втрачає споживчі властивості. При впливі води можливо розчинення кристалічного зростка, що веде до втрати міцності. Тому вапняні в`яжучі застосовують для конструкцій всередині сухих приміщень. Повітряну вапно застосовують для приготування будівельних розчинів, бетонів, силікатної каменю, пеносіліката, комбінованих цементів. Доцільність застосування вапна у виробництві бетону при деякому зниженні його міцності обумовлена скороченням витрат цементного клінкеру, розширенням можливості заміни щебеню більш поширеним наповнювачем - піском, що знижує вартість будівельних робіт.
Гідравлічну вапно виробляють з вапняку, що містить глину. При випалюванні частина оксидів кальцію і магнію в твердому стані без спікання взаємодіє з оксидами домішок кремнію, алюмінію, заліза і утворюють силікати, алюмінати кальцію, магнію, як і при виробництві клінкеру. Виниклі з`єднання при змішуванні з водою поводяться, як і аналогічні речовини цементу, утворюють тверду масу зі збереженням її міцності. Тому гідравлічну вапно застосовують як замінник цементу, наприклад, при укладанні фундаменту. Однак споживчі якості гідравлічної вапна гірше цементу і її виробляють в обмежених обсягах, як будівельне скорозшивач місцевого значення. Розміщення підприємств по виробленню гіпсових, вапняних в`яжучих матеріалів має сировинну орієнтацію, як матеріаломістких виробництв.
