|
|
Для производства минеральных
вяжущих веществ используют природные сырьевые материалы, в том числе
гипсовые, карбонатные, глинистые, магнезиальные, мергелистые и другие породы,
а также отходы промышленности— шлаки, золы, фосфогипс, борогипс и т.д. К
сырьевым материалам предъявляются определенные требования, предопределяющие
не только качество, но и технологический процесс получения конечного
продукта.
Гипсовые породы — природный гипсовый камень, ангидрит,
глиногипс. Природный гипсовый камень — порода осадочного происхождения,
состоящая в основном из белых или бесцветных кристаллов двуводного
сернокислого кальция CaS04-2H20. Обычно гипсовый камень засорен примесями
песка, глины, известняка и т.д. По ГОСТ 4013—82 гипсовый камень для
производства вяжущих подразделяется на четыре сорта в зависимости от
содержания двуводного гипса: 1-й сорт — не менее 95%, 2-й —не менее 80%, 3-й
и 4-й —не менее 70%. Наличие примесей влияет не только на содержание
CaS04-2H20, но и на цвет, который может изменяться от белого до
голубовато-серого и желтовато-красного. Истинная плотность гипсового камня
2,2—2,4 г/см3, средняя плотность (щебенки) 1200—1400 кг/м3, твердость по
шкале Мооса 1,5—2, влажность от 3—6 % и выше.
Ангидрит — горная порода осадочного происхождения. Цвет
ангидрита белый, серый, светло-голубой или светло-розовый. Это более прочная
порода. Его истинная плотность достигает 3,1 г/см2, твердость — 3—3,5. В
природе встречается реже, чем гипсовый камень.
Фосфогипс, борогипс и другие сульфатные отходы
химической промышленности используются для производства гипсовых вяжущих
веществ.
Фосфогипс — побочный продукт сернокислотной переработки
фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения. В зависимости от принятой
технологии получения фосфорной кислоты в осадок выпадает двувод- ный,
полуводный гипс или ангидрит. Влажность фосфо- гипса от 25 % и более. Обычно
он состоит из 80—98 % двуводного гипса с примесью фосфорной кислоты и других
соединений. Наличие примесей фосфатов отрицательно сказывается на качестве
гипсового вяжущего. Они замедляют схватывание и снижают прочность готового
продукта.
Борогипс — отход производства борной кислоты и буры,
состоит из двуводного гипса (около 76%) и кремнезема (до 21 %). Выпускают его
в виде шлама влажностью до 45 %.
Фосфогипс и борогипс характеризуются неоднородностью
состава, что сдерживает их широкое применение в производстве гипсовых
вяжущих. Отходы фосфо- гипса и борогипса довольно велики. Они не только
удорожают основное химическое производство, но и загрязняют окружающую среду,
поэтому их утилизация является актуальной задачей.
Карбонатные породы — известняк, мел, мрамор, известняковый
туф, известняк-ракушечник — содержат преимущественно углекислый кальций
СаС03, магнезит или доломит. Эти породы служат сырьем для производства
извести, портландцемента, глиноземистого цемента. Карбонатные горные породы
редко встречаются чистыми, без примесей песка, глины, гипса, содержание
которых изменяется в значительных пределах.
Для производства вяжущих чаще всего применяют плотные
известняки и мел. Плотные известняки имеют мелкокристаллическую структуру. Их
истинная плотность 2,6—2,8 г/см3, средняя плотность 2400—2600 кг/м3,
влажность 3—10 %, предел прочности при сжатии 15— 100 МПа. Мел в отличие от
плотного известняка имеет рыхлую структуру. Его средняя плотность 1400— 2400
кг/м3, влажность 15—25%, предел прочности при сжатии от 10 до 20 МПа.
Структура материала и примеси предопределяют
физико-механические свойства карбонатных пород. Так, мел легко распускается
(размокает) в воде, прочность его меньше по сравнению с плотным известняком
или мрамором (прочность мрамора до 30 МПа). Глинистые примеси при увлажнении
понижают прочность известняков. Кремнезем уменьшает их растворимость и повышает
прочность. Доломитизированные известняки характеризуются меньшей
растворимостью и большей прочностью. В зависимости от химического состава и
наличия примесей карбонатные породы подразделяют на семь классов — А, Б, В,
Г, Д, Е, Ж
Углекислый магний, глинистые примеси н пески влияют на
режим обжига при получении извести и на ее качество. Чем их больше, тем ниже
должна быть темпера- ра обжига (900—1150°С). Глинистые примеси в количестве
свыше 6 % придают извести ярко выраженные гидравлические свойства.
При производстве извести следует учитывать прочность
карбонатных пород. Так, плотные известняки можно обжигать в шахтных печах,
где куски могут выдерживать большое давление верхних слоев. Кроме того, они
не должны рассыпаться и распадаться на более мелкие части во время обжига и
охлаждения.
Для производства портландцемента используют карбонатные
породы с высоким содержанием углекислого кальция. Этому требованию
удовлетворяют мергели, известняки и мел, содержащие до 90 % и более углекислого
кальция и некоторое количество глинистых примесей, песка и др. Содержание
оксида магния более 3—3,5 % и серного ангидрида SO3 более 1,5—1,7 % не
допускается, а сумма ЫагО + КгО не должна превышать 1 %.
Мергели в природе встречаются в виде смеси мельчайших
частиц углекислого кальция и глинистых минералов. Они являются ценным сырьем
для производства портландцемента. В мергелях количество углекислого кальция
меняется в пределах 50—80 %. а глинистых примесей — 20—50 %. Мергель,
состоящий из 75—78 % углекислого кальция и 18—20 % глинистого вещества,
представляет собой готовую смесь, пригодную для получения портландцемента.
Такой мергель называют натуральным. По своим физико-механическим свойствам
мергели различны. Встречаются как плотные, так и рыхлые мергели. Средняя
плотность их колеблется от 2200 до 2500 кг/м3, а влажность — от 5 до 20 %.
Глинистые породы — необходимый компонент сырьевой смеси
для портландцемента. Они содержат нужные для него кислотные оксиды Si02,
А120з и РегОз. Из глинистых пород в производстве портландцемента используют
глину, суглинок, глинистый сланец, лесс и лессовидные суглинки.
Глины — тонкодисперсные осадочные горные породы, легко
размокающие в воде. Нежелательными примесями в глинах являются растворимые
соли, содержащие S03, Na20, К2О и MgO, так как они снижают качество
портландцементного клинкера. Содержание их должно быть минимальным. Примеси
кварцевых зерен, гальки или щебня затрудняют не только помол, но делают глину
непригодной для производства портландцементного клинкера без предварительного
ее обогащения.
Чем дисперснее частицы глины, тем быстрее и полнее
протекают процессы взаимодействия оксидов в процессе обжига.
Крупнокристаллический кварцевый песок, слюды, крупные частицы полевых шпатов
труднее вступают в реакцию при обжиге. Поэтому количество частиц более 0,2 мм не должно превышать 10 %.
Суглинок — глина с повышенным содержанием песча- пых (до
40%) и пылевидных частиц. Глинистые сланцы — твердые плотные горные породы с
тонкослоистой структурой, способные легко раскалываться на тонкие пластинки.
Эти породы более постоянного состава, меньшей влажности, чем глины. Глинистые
сланцы не смерзаются зимой при хранении на складах. Лесс — рыхлая горная
порода, состоящая из глинистых материалов, полевого шпата, пылевидных частиц
кварца и некоторых других силикатов. Лесс характеризуется довольно
значительной пористостью, достигающей 50 %. Лессовидный суглинок — горная
порода со свойствами, присущими суглинку и лессу.
Отходы промышленности представляют большой интерес для
строительной индустрии, так как в своем составе содержат готовые компоненты
для производства вяжущих веществ. Многие из них по своему химическому составу
близки к портландцементу и глиноземистому цементу. Часть из них может быть
превращена в вяжущие вещества путем совместного помола с соответствующими
активизаторами твердения.
В настоящее время в цементной промышленности используют
доменные гранулированные шлаки, электро- термофосфорные шлаки, нефелиновый
шлам, топливные шлаки и золы.
Доменные шлаки — продукт спекания пустой породы
железосодержащей руды и нелетучей части топлива с плавнями (флюсами) —
карбонатными породами. Пустая порода — примеси кварца, глины, карбонатов
кальция и магния, серы, соединений фосфора и др., снижающие качество чугуна.
Некоторые неорганические примеси имеются и в топливе, что также отрицательно
влияет на качество чугуна. Поэтому эти вредные для металла вещества удаляются
путем перевода в легкоплавкие соединения при введении в шихту карбонатных
пород (известняков, доломитов и т.д.)—плавней. При 1400—1500 °С эти вещества
расплавляются, вступают между собой во взаимодействие, образуя силикаты и
алюмосиликаты Са и Mg, и в виде шлака скапливаются над слоем чугуна. Шлак
сливается и застывает.
Доменные гранулированные шлаки получают из шлакового
расплава двумя способами: мокрым и полусухим. При мокром способе
расплавленный шлак сливают в бассейн с водой, где он мгновенно охлаждается.
При этом образуется большое количество пара и выделяющегося из шлака
растворенного газа, которые способствуют образованию шлаковых гранул размером
до 10 мм. Расход воды при мокрой грануляции на 1 т шлака 2—2,5 м3.
Мокрый способ довольно прост. Бассейные установки
характеризуются большой производительностью, малой капиталоемкостью,
небольшим числом обслуживающих рабочих. Однако при мокром способе грануляции
шлак имеет высокую влажность (до 20—30 %), что требует дополнительного
расхода теплоты на его сушку.
Более прогрессивен и экономически выгоден полусухой способ
грануляции, осуществляемый в барабанных гидроударных, гидрожелобных и других
установках. Так, в гидрожелобной установке жидкий шлак из ковша сливается на
желоб. Воду подают под давлением при помощи гидромонитора с сопловыми
насадками или через трубы со щелевидными отверстиями. Сильные струи воды,
попадая на расплав шлака, разбивают его на гранулы и охлаждают. Влажность
такого шлака 4—7 %, расход воды 2,5—2 м3 на 1 т шлака.
Качество доменных гранулированных шлаков характеризуется
численными значениями модуля основности М0 и модуля активности Ма:
М0 = (СаО + MgO) % /(SiO, + А|2Оэ) %, Ma = AI2(V/o/Si(V/o.
По значению модуля основности различают шлаки: основные —
с и кислые с Ма< 1.
Электротермофосфорный шлак — побочный продукт термической
возгонки фосфора в электропечах, превращаемый в мелкозернистое состояние при
быстром охлаждении и гранулировании. В состав доменных и элек-
тротермофосфорных шлаков входят СаО, БЮг, А1203, MgO, FeO, а также сернистые
соединения FeS,MnS,CaS.
Топливные шлаки и золы по своему химическому составу
сходны с доменными и электротермофосфорными шлаками. При сжигании твердого
топлива (1100— 1700°С) глины, карбонаты, слюды, полевые шпаты, кварцы и
другие минералы претерпевают превращения, связанные с дегидратацией,
окислением, диссоциацией и т. д., переходят в расплав и взаимодействуют между
собой.
Топливные шлаки и золы используют в качестве глинистого
компонента в производстве портландцемента с минеральными добавками, зольных и
известково- зольных портландцементов, а также для строительных растворов.
Размер зерен топливных гранулированных шлаков менее 10—15 мм. Перед
употреблением их измельчают до удельной поверхности 3000 см2/г.
Белитовый (нефелиновый) шлам — побочный продукт
производства глинозема, содержащий до 80 % минерала белита 2Ca0'Si02,
обладающего вяжущими свойствами. Нефелиновый шлам отличается повышенным
содержанием щелочей (до 2,5 %).
Минеральные добавки могут быть активными и
инертными. Активные минеральные добавки, содержащие кислотные оксиды в
активной форме, способны при обычных температурно-влажностных условиях
взаимодействовать с гидроксидом кальция, не ухудшая качества, но заметно
снижая стоимость вяжущего. Добавки разделяют на природные (пуццолановые) и
искусственные. Основные пуццолановые добавки — тонкомолотый трепел, опока,
диатомит, трасс, вулканический пепел, туф. Искусственные добавки — доменные
гранулированные шлаки, топливные золы и шлаки, кремнеземистые отходы,
обожженные глины и т. д.
Инертные минеральные добавки в обычных условиях даже в
тонкоизмельченном виде не проявляют заметной активности с Са(ОН)2. К ним
относят тонкоизмельченные кварцевые пески, известняки, низкоактивные шлаки и
золы. Их иногда называют добавками-наполнителями. Добавки-наполнители в
количестве до 15 % не снижают качества портландцемента, однако позволяют
снизить стоимость вяжущего.
В зависимости от вида основного вяжущего смешанные вяжущие
вещества подразделяют на: пуццолано- вый, шлаковый, песчаный портландцементы
и т.д. (в их основе лежит портландцемент); известково-пуццо- лановые цементы,
известково-кварцевое вяжущее и др. (основа зтих вяжущих— воздушная и
гидравлическая известь); расширяющиеся и безусадочные цементы на основе
глиноземистого цемента и портландцемента, а также гипса;
гипсоцементно-пуццолановое вяжущее на основе гипса, портландцемента и
активных минеральных добавок.
ПАВ вводят для снижения водопотребности вяжущих,
повышения морозостойкости бетонов, сохранения качеств цемента при дальних и
длительных перевозках в условиях повышенной влажности, ускорения или
замедления схватывания и твердения вяжущих веществ. ПАВ можно использовать
как добавки-разжижители шлама при приготовлении цемента. Это снижает
энергозатраты при приготовлении шлама, а также понижает температуру спекания
клинкера. Их успешно применяют также при помоле цементного клинкера в
качестве интенсификаторов измельчения.
К поверхностно-активным добавкам относят соду, СДБ
(сульфитно-дрожжевая бражка — кальциевые соли лингосульфонатных кислот),
мылонафт (мазеобразное вещество желто-коричневого цвета, представляющее собой
натриевые соли нерастворимых в воде органических кислот), триполифосфат,
жидкое стекло, асидол (нефтяные кислоты, получаемые при переработке нефти),
содовую вытяжку из торфа и бурого угля, гипс, абиетат натрия (натриевая соль
абиетиновой кислоты), омыленный пек и др.
Различают ПАВ пластифицирующие, гидрофильного типа и
гидрофобизирующие.
Пластифицирующие добавки усиливают диспергирование
бетонной смеси (шлама), улучшая тем самым ее подвижность. Гидрофобизирующие
добавки способствуют вовлечению в смесь мельчайших пузырьков воздуха, что
увеличивает подвижность смеси. Незначительное количество химических добавок —
суперпластификаторов — позволяет резко увеличить подвижность бетонной смеси.
Суперпластификаторы — синтетические полимерные материалы: С-3 — на основе
нафталип- сульфокислоты, 10-03 и КМ-30 — на основе меламино- вой кислоты.
Эффективными разжижителями являются и полимерные добавки 40-03, ОП-7, СПД и
др. Однако они несколько замедляют процесс затвердевания цемента.
Хлориды натрия и кальция используют в качестве
противоморозных добавок. Они понижают точку замерзания воды и тем самым
способствуют твердению бетона при пониженных температурах.
|