Книги по строительству и ремонту

Строительные материалы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Гипсовые вяжущие вещества делятся на две группы — низкообжиговые и высокообжиговые. Низкбобжиговые вяжущие вещества получают при нагреве двуводного гипса CaSO4-2H2O до температуры 150— 160° С; при этом происходит частичная дегидратация двуводного гипса с переходом его в полуводный гипс CaSO4 • 0,5 Н2О.

Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре — до 700—900° С — с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция — ангидрита CaSO4. К низкообжиговым относится строительный и высокопрочный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс (эстрих-гипс).

Сырьем для производства гипсовых вяжущих являются природный гипсовый камень CaSC>4-2H2O и природный ангидрит CaSO4, а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс.

Строительный гипс

Строительным гипсом называется воздушное вяжущее вещество, состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемое путем термической обработки гипсового камня при температуре 150—160° С. При этом CaSOi >2Н2О, содержащийся в гипсовом камне, дегидратируется по реакции:

CaSO4 • 2Н2О -»- CaSOi • 0,5Н2О + 1,5Н2О — q.

Производство строительного гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня

Имеется несколько технологических схем производства строительного гипса; по одним — предварительная сушка и помол сырья в порошок предшествует обжигу, по другим — помол производится после обжига, а по третьим помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига во взвешенном состоянии.

Тепловую обработку гипсового камня можно осуществлять в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных или других мельницах. Выбор того или иного обжигательного аппарата зависит от масштабов производства, сырья, требуемого качества готовой продукции и ряда других факторов. Наиболее распространена технологическая схема с применением  варочных   котлов   ( 31).

Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят в щековых, конусных или молотковых дробилках, затем с одновременным подсушиванием измельчают в мельнице. Процесс сушки и помола целесообразно совмещать в одном аппарате, например в шахтной, аэродробильной или шаровой мельнице. Наибольшее распространение получила шахтная мельница (32), состоящая из молотковой мельницы и расположенной над ней шахтой высотой 12—15 м. В нижней части шахты имеются каналы, подающие теплоноситель (горючие газы) с температурой 300—500° С из топок варочных котлов. Молотковая мельница размещена несколько ниже. Гипсовый камень в виде щебня размером 3—4 см подается в мельницу тарельчатым питателем через течку в верхней части камеры, встречает на своем пути быстро вращающиеся била мельницы и измельчается в тонкий порошок. В мельнице из гипса удаляется и некоторая часть кристаллизационной воды.

Воздушные вяжущие

Варочный котел периодического действия (33) представляет собой обмурованный кирпичом стальной барабан / со сферическим днищем 2, обращенным выпуклой стороной внутрь цилиндра. Для перемешивания гипса в котле имеется мешалка 3, приводимая в движение электродвигателем 4. Раскаленные топочные газы обогревают днище и стенки котла, а также проходят через жаровые трубы 5 внутри котла и в охлажденном состоянии удаляются  по дымовой  трубе.  Продолжительность варки 90—180 мин, причем выдержка 3—4 ч при 140—150° С способствует уменьшению водопотребности гипса -и повышению его прочности. Водопотребность значительно снижается при варке его с добавкой поваренной соли. Полученный полуводный гипс выпускают из котла через люк 6 в бункер выдерживания, где он охлаждается и несколько повышается его качество, а затем гипс поступает на склад готовой продукции. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что . позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива. В сушильных барабанах вращающихся печей (34) гипс получают обжигом гипсового камня в виде щебня с размером зерен до 20 MAI..

Обжигательной частью сушильного барабана служит наклонный стальной цилиндр диаметром до 2,5 и длиной до 20 м, установленный на роликовые опоры и непрерывно вращающийся. Гипсовый щебень подается в барабан с его приподнятой стороны и при вращении барабана перемещается вниз. Из топки в барабан поступают раскаленные дымовые газы с температурой 600—700° С, которые вентилятором удаляются с противоположной стороны барабана с температурой около 100° С. При движении вдоль барабана газы встречают гипсовый камень и обжигают его. Обожженный гипс измельчают в одно- или двухкамерных шаровых мельницах, получая строительный гипс, который хранят обычно в круглых си-лосах диаметром   6—10 м.

При обжиге гипса во взвешенном состоянии совмещают две операции— измельчение и обжиг. По этой схеме (35) последовательность операций такая. Поступающий со склада гипсовый камень сначала дробят в щековой дробилке, а затем в молотковой до получения зерен размером 10—15 мм. Раздробленный материал элеватором через расходный бункер подается в шаровую мельницу, в которой осуществляется совместный помол и обжиг гипсового щебня. В шаровую мельницу из специальной топки поступают дымовые газы с температурой 600—700° С. Образующиеся в процессе измельчения частицы гипса увлекаются из мельницы потоком горячих дымовых газов, дегидратируются в этом потоке до полуводной модификации и попадают через сепаратор в пылеосади-тельные устройства. В сепараторе выделяются крупные зерна гипса, которые возвращаются в мельницу на дополнительное измельчение. В пы-леосадительных устройствах обезвоженный гипс выделяется из газового потока и направляется в бункер готовой продукции, а очищенные газ-ы выбрасываются в атмосферу. Получение гипса при совмещенном помоле и обжиге отличается главным образом типами мельниц и дробилок, а также тем, что иногда мельницы работают с рециркуляцией газов, прошедших пылеосадительные аппараты.

Наибольшая производительность обеспечивается при совмещенном помоле и обжиге гипса, несколько меньшая — при обжиге в сушильном барабане и наименьшая при варке в котлах. Однако качество гипса в последнем случае значительно  выше.

Схватывание и твердение строительного гипса

Схватывание и твердение вяжущего вещества заключается в том, что при смешивании с водой оно образует пластичное тесто, превращающееся впоследствии в твердое камневидное тело с определенной прочностью. Это превращение происходит не сразу, а постепенно и обусловливается рядом химических и физических процессов.

При схватывании и твердении гипса полугидрат переходит в кристаллический двуводный гипс. Ле Шателье объясняет твердение вяжущего возникновением кристаллического сростка гидратных новообразований, выпадающих из раствора. При затворении вяжущего водой оно начинает растворяться с образованием насыщенного по отношению к вяжущему раствора. В результате реакции в растворе между компонентами вяжущего и водой возникают новообразования менее растворимые, чем исходное вещество. По отношению к этим соединениям раствор оказывается пересыщенным, вследствие чего и происходит их выкристаллизовы-вание.

Растворимость полуводного гипса примерно в 3,5 раза выше растворимости двуводного, поэтому раствор, насыщенный по отношению к полуводному гипсу, становится пересыщенным по отношению к двуводному> вследствие чего последний будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Это в свою очередь вызывает уменьшение концентрации полуводного гипса в жидкой фазе и создает возможность для растворения его новых порций до образования пересыщенного раствора, из которого снова будут выделяться кристаллы двуводного гипса. Этот процесс продолжается до полной гидратации и кристаллизации всего полуводного гипса.

А. А. Байков считает, что при твердении полуводного гипса кроме процессов растворения и кристаллизации имеет значение и процесс кол-лоидации. По достижении насыщенного по отношению к полуводному гипсу раствора взаимодействие воды с твердым полуводным гипсом вследствие большого химического сродства между ними продолжается на поверхности (топохимически). Получающийся при этом двуводный гипс не способен растворяться, так как раствор по отношению к нему является пересыщенным и будет выделяться в неустойчивом коллоидно-дисперсном состоянии. Этот двуводный гипс с течением времени кристаллизуется. Количество образующихся вытянутых кристаллов двугидрата все увеличивается, они располагаются в разных направлениях и переплетаются между собой, причем одновременно с этим продолжается рост выделившихся кристаллов.

По теории А. А. Байкова, процесс твердения строительного гипса и других минеральных вяжущих веществ, образующих гидратные соединения, делится на три периода.

Первый период, начинающийся с момента смешения гипса с водой,— растворяется полуводный гипс и образуется насыщенный раствор.

Второй период — взаимодействие воды с полуводным гипсом с прямым присоединением ее к твердому веществу. Это приводит к возникновению двуводного гипса в виде высокодисперсных кристаллических частичек и к образованию коллоидной массы в виде геля, что сопровождается схватыванием  массы.

Третий период (кристаллизация и твердение) характеризуется превращением студня в кристаллический сросток.

Эти периоды по А. А. Байкову наступают не в строгой последовательности один за другим. Так, еще до образования насыщенного раствора образуется коллоидальная масса, а превращение ее в кристаллы начинается ранее окончания процесса коллоидации во всей массе затворенного гипса. Образовавшиеся кристаллы CaSO4-2H2O срастаются в единый кристаллический сросток, что и обусловливает рост прочности гипсового камня. В дальнейшем при высыхании прочность его увеличивается, так как потеря воды способствует более прочному сращиванию.

Изучение процесса твердения вяжущих веществ позволило глубже проникнуть в его сущность, однако полного представления об этих процессах еще нет. Теории твердения вяжущих веществ (Ле Шателье, Миха-элиса, Байкова) подверглись дальнейшему развитию. В СССР развитию теории твердения гипса в последние годы способствовали исследования П. П. Будникова, П. А. Ребиндера, В. Б. Ратинова и др. По теории П. А, Ребиндера и Е. Е. Сегаловой с сотрудниками, гидратация полуводного гипса идет по схеме Ле Шателье, но через коагуляционный и кристаллизационный периоды.

Современный уровень знаний позволяет резюмировать, что затвердевание и упрочнение гипса объясняется срастанием мельчайших (коллоидных размеров) малорастворимых кристалликов двугидрата гипса в процессе образования их из раствора при сильном его пересыщении, поддерживаемом (пока идет химическая реакция гидратации гипса) более высокой растворимостью исходного вещества. При этом рост прочности системы обычно заканчивается несколько раньше полного перехода полуводного гипса в двуводный. Последующее прекращение роста прочности или даже разупрочнение затвердевшего гипса объясняется частичным разрушением структуры под влиянием внутренних напряжений, возникающих в процессе направленного роста кристалликов, спаянных между собой контактами срастания и образующих сплошную кристаллизационную  структуру затвердевшего гипса.

Гидратация основной массы полуводного гипса и кристаллизация двугидрата практически заканчиваются одновременно через 20—40 мин после затворения. К этому же времени достигается и максимальная прочность системы во влажном состоянии. По мере высыхания прочность затвердевшего гипса повышается, что объясняется уже не дальнейшими процессами гидратации, а испарением воды. При этом из водного раствора выделяется двуводный гипс, способствующий упрочнению контактов между кристаллическими сростками. Предполагается также, что при удалении воды, смачивающей поверхность кристаллов, устраняется их взаимное скольжение, что приводит к повышению прочности затвердевшего гипса. При полном высыхании дальнейший рост прочности прекращается.

Процесс твердения гипса можно ускорить сушкой, но при температуре не выше 65° С во избежание повторной дегидратации двуводного гипса.

Свойства строительного гипса

На свойства гипса большое влияние оказывает количество воды за-твореиия  и тонкость помола.

При затворении гипса количество воды всегда берется больше, чем это необходимо для химических реакций. Практически для получения теста нормальной густоты требуется 50—70% воды от веса обычного строительного гипса. На химические же реакции нужно только 18,6% воды. Избыточная вода испаряется, образуя поры, поэтому-гипсовые изделия имеют обычно высокую пористость (50—60%). С увеличением количества воды затЕорения плотность гипса уменьшается и, наоборот, с уменьшением плотность и прочность гипса увеличиваются.

Водопотребность гипса увеличивается с повышением тонкости помола. Последняя характеризуется остатком на сите № 02 (размер ячейки сита в свету 0,2 мм); для первого сорта этот остаток должен быть не более 15, а для второго не более 30%. Более тонкий помол гипса способствует увеличению его прочности даже при некотором увеличении водопо-требности.

Весьма быстрое схватывание гипса затрудняет в  ряде случаев его   'р использование и вызывает; необходимость в замедлителях схватывания   |!' (кератиновый и известково-клеевой замедлители, сульфитно-спиртовая   , барда и др.) в количестве 0,1—0,3% веса гипса. Их ввод снижает нормальную густоту гипсового теста на 10—15%, что способствует увеличению прочности гипсовых изделий.

Строительный гипс является быстросхватывающимся и быстротвердеющим вяжущим веществом: начало схватывания должно наступать не ранее 4 мин, а конец — не позднее 30, но не ранее 6 мин с момента за-творения водой. Сроки схватывания гипса зависят от свойств сырья, условий изготовления, длительности хранения, количества вводимой воды температуры вяжущего и воды, наличия добавок и др. Ускоренную гидратацию полуводного гипса вызывают содержащиеся в нем неразложив-шиеся частицы двугидрата; при пониженном количестве воды схватывание гипса ускоряется, и наоборот. Повышение температуры гипсового теста до 40—-45° С способствует ускорению его схватывания, а выше этого предела, наоборот, замедлению. При необходимости ускорить схватывание гипса к нему добавляют двуводный гипс, поваренную соль, серную кислоту. Замедлители схватывания уменьшают скорость растворения или растворимость полуводного гипса. Ускорители схватывания действуют по-иному: одни из них повышают растворимость полуводного гипса, другие (двуводный гипс) образуют центры кристаллизации, вокруг которых быстро закристаллизовывается вся масса.

(Прочность гипса определяют испытанием образцов-кубов размером. 7,07X7,07X7,07 см, приготовленных из гипсового теста нормальной густоты. В зависимости от тонкости помола предел прочности при сжатии образцов через 1,5 ч после их изготовления должен быть не менее 45 и 35 кГ/см2 соответственно для первого и второго сорта.] Прочность образцов, высушенных до постоянного веса при температуре до 70° С, в 2— 2,5 раза больше прочности образцов-в возрасте 1,5 суток.;В сухом состоянии образцы строительного гипса могут достигать прочности при сжатии  180—200 КГ/CMV

 Применяется строительный гипс для производства гипсовых и гип-собетонных строительных изделий для внутренних частей зданий:- перегородочных плит, панелей, сухой штукатурки, для приготовления гипсовых и смешанных растворов, а также производства декоративных и отделочных материалов, например искусственного мрамора

Высокопрочный гипс

Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного rancgLj При нагревании природного гипсового камня при нормальном давлении получается обычный строительный гипс. В этих условиях образуются мелкие кристаллы полуводного сернокислого кальция (3-модификации; такой гипс обладает повышенной водопотребностью (60—65% воды). Избыточная вода, т. е. сверх потребной на гидратацию гипса, испаряется, вследствие чего затвердевший строительный гипс имеет высокую пористость до 40% и, соответственно, небольшую прочность. При нагревании же природного гипса паром под давлением до 1,3 ат при 124° С в течение 5 ч с последующей сушкой при температуре 140—160° С получается полуводный гипс а-модификации. При этом образуются более крупные кристаллы, обусловливающие меньшую водопотребность гипса (45—40% воды), что позволяет получать гипсовый камень с большей плотностью и прочностью. Такой гипс называют высокопрочным — прочность его на 7-е сутки достигает 150—400 кГ/см2.

В зависимости от характера тепловой обработки все известные способы производства высокопрочного гипса разделяют на автоклавные и термообработку в жидких средах. Первые основаны на обезвоживании гипса в среде насыщенного пара при давлении выше атмосферного в герметических аппаратах; вторые — на обезвоживании гипса в процессе кипячения в водном растворе хлористого кальция или хлористого магния при атмосферном давлении   с   последующей сушкой  и  измельчением.

Высокопрочный гипс выпускается пока в небольшом количестве и расходуется в основном в металлургической промышленности для изготовления форм. Однако он успешно может заменить обыкновенный строительный гипс, обеспечив высокую прочность гипсовым изделиям.

Формовочный гипс

Формовочный гипс отличается от строительного более тонким помолом, большей прочностью и постоянством свойств. Получают его из гипсового камня, содержащего не менее 96% CaSO4 • 2Н2О в варочных котлах при определенной длительности цикла и заданной температуре. Он состоит в основном из р-полугидрата. Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 02 не более 2,5%. Начало схватывания не ранее 5 мин, а конец не ранее 10 и не позднее 25 мин. Предел прочности при растяжении через 1 сут. не менее 14, а через 7 сут. не менее 25 кГ/см2.

Формовочный гипс применяют для изготовления форм, моделей и

изделий в строительной, керамической, машиностроительной и других

отраслях промышленности.

2. АНГИДРИТОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Ангидритовый цемент получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600—700° С с последующим измельчением совместно с добавками — катализаторами твердения (известью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоросом, обожженным доломитом, основным доменным гранулированным шлаком, золами горючих сланцев, золами ТЭЦ и др.).)

Ангидритовое вяжущее было предложено П. П. Будниковым, по данным которого оптимальные дозировки катализаторов были: известь 2—5%; смесь бисульфата или сульфата натрия с железным или медным купоросом по 0,5—1 % каждого; доломит, обожженный при 800— 900° С 3—8%; основной гранулированный доменный шлак 10—15%. Железный и медный купорос уплотняют поверхность затвердевшего ангидритового цемента, вследствие чего катализаторы не выделяются и не образуют выцветы на поверхности изделия. Действие катализаторов объясняется   тем,   что   ангидрит   обладает   способностью   образовывать комплексные соединения с различными солями в виде неустойчивого сложного гидрата mCaSO4 • яН2О, который в дальнейшем распадается, образуя CaSO4 • 2Н2О.

Ангидритовый цемент можно получить также путем помола природного ангидрита с указанными добавками,-^Ангидритовый цемент — медленно схватывающееся вяжущее: начало не ранее 30 мин, конец — не позднее 24 ч. По прочности на сжатие, различают марки 50, 100, 150 и 200.

Применяют ангидритовые цементы для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий.

Разновидностью ангидритового цемента является высокообжиговый гипс (эстрих-гипс), получаемый обжигом природного гипса или ангидрита при температуре 800—1000° С с последующим тонким измельчением. При этом происходит не только полное обезвоживание, но и частичная диссоциация (разложение) ангидрита с образованием СаО (в количестве 3—5%) по реакции CaSO4 = CaO + SO3. При затворении эстрих-гипса водой СаО действует как катализатор по схеме твердения ангидритового цемента, рассмотренной выше.

1 Согласно СНиП I-B.2-62 высокообжиговый гипс делят на три марки: 100, 150 и 200. Тонкость помола его соответствует остатку на сите № 06 (139 отв/см2) не более 2%, а на сите № 02 — не более 10%. Гипс медленно схватывается и твердеет: начало схватывания не ранее 2 ч, конец — через 6—8 ч после затворения водой. Ускорить процесс схватывания можно повышением тонкости помола, а также добавкой квасцов и других солей. При твердении высокообжиговый гипс в отличие от строительного хотя и незначительно, но уменьшается в объеме. Объемный вес в рыхлом состоянии 900—1200, а в уплотненном — 1300— 1700 кг/м3.

Высокообжиговый гипс применяют для кладочных и штукатурных растворов, устройства мозаичных полов, выработки искусственного мрамора и др. Изделия из высокообжигового гипса мало тепло- и звукопро-водны, они обладают по сравнению с изделиями из строительного гипса более высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям

3. МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Разновидностями магнезиальных вяжущих веществ являются каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магнезита MgCO3 в шахтных или вращающихся печах при 700—800° В результате магнезит разлагается по реакции MgCOe—^MgO + CO акция разложения MgCO3 обратимая, поэтому при обжиге магнезита необходимо интенсивно удалять из печи СО2 при помощи естественной или искусственной тяги. Оставшееся твердое вещество — окись магния — измельчают в тонкий порошок и упаковывают в металлические барабаны. Обожженный магнезит целесообразно размалывать в шаровой мельнице с сепаратором.

Каустический магнезит твердеет сравнительно быстро: схватывание его должно наступать не ранее 20 мин, а конец — не позднее 6 ч от момента затворения. Марки каустического магнезита по СНиП 1-В.2г62 по показаниям прочности при сжатии образцов-кубов из жесткого трамбованного раствора состава 1 : 3 по весу через 28 суток воздушного твердения установлены 400, 500 и 600.

Каустический доломит MgO • СаСО3 получают путем обжига при 650—750° С природного доломита MgCO3 • СаСО3 с последующим тонким измельчением продукта. При температуре обжига СаСО3 не разлагается и остается в инертном виде как балласт, что делает вяжущую активность каустического доломита ниже, чем каустического   магнезита.

Каустический доломит содержит значительное количество углекислого кальция: в нем должно быть не менее 15% окиси магния и не более 2,5% окиси кальция, поэтому качество его ниже, чем каустического магнезита и марки его только 100—300.

\ Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния. Наиболее распространенным затворителем является раствор хлористого магния MgCb, так как он обеспечивает большую прочность. Магнезиальные вяжущие слабо сопротивляются действию воды, и их можно использовать только при твердении на воздухе с относительной влажностью не более 60%. Каустический магнезит легко поглощает влагу и углекислоту из воздуха, в результате чего образуются гидрат окиси магния и углекислый магний. Поэтому хранить его надо в плотной герметической таре.

На основе магнезиальных вяжущих изготовляют ксилолит (смесь вяжущего с опилками), используемый для устройства полов, фибролит и другие теплоизоляционные материалы. Применяют магнезиальные вяжущие и при производстве изделий для внутренней облицовки помещений, изготовления пенобетона, оснований под чистые полы, скульптурных изделий.

4. КИСЛОТОУПОРНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Кислотоупорные цементы применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения башен, резервуаров и других сооружений химической промышленности. Эти цементы состоят из смеси водного раствора силиката натрия (растворимого стекла), кислотоупорного наполнителя и добавки — ускорителя твердения. В качестве микронаполнителя используют кварц, кварциты, андезит, диабаз и другие кислотоупорные материалы, ускорителя твердения — кремнефтористый натрий. Вяжущим материалом в кислотоупорном цементе язляется растворимое стекло— водный раствор силиката натрия Na2O-nSiO2 или силиката калия КгО • nSiOz (величина п указывает отношение числа молекул кремнезема и щелочного окисла и называется модулем стекла; он колеблется в пределах от 2,5 до 3,5).

Растворимое стекло получают при сплавлении в стекловаренных печах при 1300—1400° С измельченного и тщательно смешанного кварцевого песка с кальцинированной содой, сульфатом натрия или с поташом К2СО3. Варка продолжается 7—10 ч, и полученная стекломасса поступает из печи в вагонетки, где быстро охлаждается и распадается на куски. Застывшие куски называют «силикат-глыба». Это стекло при обычных условиях практически нерастворимо в воде, поэтому его растворяют действием пара высокого давления (5—6 атм) при температуре около 150°С, оно сравнительно легко переходит в жидкое состояние, приобретая вяжущие свойства. Твердеет жидкое стекло на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема под действием углекислоты воздуха по реакции

Na2SiOs + СО2 + 2Н2О->- Si (ОН) 4 + Na2CO3.

Но этот процесс протекает на воздухе медленно и ускоряют его добавкой катализатора — кремнефтористого натрия   Na2SiF3.   Последний вступает во взаимодействие с растворимым  стеклом, в результате  чего быстро образуется гель кремнекислоты

Na2SiF6 + 2Na2Si03 + 6H2O -> 6NaF + 3Si (ОН) 4.

Добавка кремнефтористого натрия не только ускоряет процесс твердения, но и повышает водостойкость и кислотоупорность цемента.

Растворимое стекло применяют также для приготовления кислотостойких и жароупорных обмазок, растворов и бетонов; нельзя применять его для конструкций, подверженных длительному воздействию воды, щелочей, а также кислот: фосфорной, фтористоводородной или кремне-фтористоводородной.

Силикат-глыбу можно транспортировать в таре или навалом, растворимое стекло, имеющее сиропообразную консистенцию, — в бочках или стеклянных баллонах. Отечественная промышленность выпускает кислотоупорный кварцевый кремнефтористыи цемент, состоящий из смеси тонкомолотого чистого кварцевого песка и кремнефтористого натрия, которую затворяют водным раствором силиката натрия плотностью 1,345 в количестве 25—30% веса песка.

Кислотоупорный цемент не стоек против воздействия воды и слабых кислот. Для повышения водостойкости добавляют 0,5% льняного масла или 2% церезита. Полученный гидрофобизованный цемент называют кислотоупорным водостойким цементом КЦВ.

5. СТРОИТЕЛЬНАЯ ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ

Воздушной известью называется продукт, получаемый путем обжига до возможно более полного выделения углекислоты кальциево-магниевых карбонатных пород, содержащих не более 6% глины.

В зависимости от последующей обработки обожженного продукта различают следующие виды воздушной извести:

негашеную комовую известь-кипелку, состоящую главным образом из СаО;

негашеную молотую известь того же состава;

гидратную известь-пушонку в виде тонкого порошка, полученного гашением комовой извести определенным количеством воды и состоящего в основном из Са(ОН)2;

известковое тесто, полученное гашением комовой извести избыточным количеством воды и состоящим из Са(ОН)2 и механически примешанной воды.

На свойства извести большое влияние оказывает содержание в известняках примесей глины, углекислого магния, кварца и др.: чем больше глинистых и песчаных примесей, тем более тощей получается известь. Известь, свободная от примесей, быстро гасится, выделяя при этом много тепла, и дает высокопластичное тесто.

В зависимости от содержания окиси магния различают воздушную известь маломагнезиальную (MgO не более 5%), магнезиальную (MgO 5—20%) и доломитовую (MgO 20—40%). С увеличением содержания MgO известь гасится медленнее, так как Mg(OH)2 менее растворим в воде, чем Са(ОН)2.

В зависимости от температуры, развивающейся при гашении, различают низкоэкзотермическую (с температурой гашения ниже 70° С) и высокоэкзотермическую (с температурой гашения выше 70° С) известь. .По скорости гашения известь бывает быстрогасящейся (со скоростью гашения до 20 мин) и медленногасящейся (со скоростью гашения свыше 20 мин). В зависимости от содержания в извести СаО и MgO известь делится ка два сорта: в извести I сорта СаО и MgO должно быть не менее 85, а в извести II сорта — не   менее  70%   (от  веса   извести).

Известь применяют как в чистом виде, так и с добавками — молотыми доменными или топливными шлаками и золами, вулканическим пеплом, пемзой, туфом, кварцевым песком, гипсовым камнем, трепелом.

Порошкообразная смесь негашеной извести и карбонатных пород (известняка) называется карбонатной известью.

Негашеная известь

Исходным материалом для производства комовой негашеной извести являются преимущественно плотные известняки, мел, доломитизи-рсванные известняки, доломиты и т. д. Технологический процесс получения негашеной комовой извести состоит из добычи известняка, его подготовки (дробления и сортировки) и обжига. После обжига комовую известью размалывают, получая молотую негашеную известь.

Основным процессом при производстве извести является обжиг, при котором известняк декарбонизируется и превращается в известь (СаО) по реакции:

СаСОз + 42,52 ккал +* СаО + СО2.

Из уравнения следует, что для разложения одной грамм-молекулы СаСОз на СаО и СОг необходимо затратить 42,52 ккал тепла, а для разложения 1 кг СаСОз — 425,2 ккал. В заводских условиях температура обжига известняка обычно составляет 1000—1200° С и устанавливается в зависимости от плотности известняка, наличия примесей, типа печи и ряда других факторов. При обжиге из известняка удаляется углекислый газ, составляющий до 44% его веса, объем же продукта уменьшается всего до 10%, поэтому куски комовой извести имеют пористую структуру.

Обжигают известняк в различных печах: шахтных, вращающихся и

«кипящего» слоя; используют также установки для обжига известняка

во взвешенном состоянии и т. д. Наибольшее распространение получили

шахтные известеобжигательные печи. В зависимости от вида применяе

мого топлива и способа его сжигания различают шахтные печи, рабо

тающие: 1)     на короткопламенном твердом топливе, вводимом обычно в шах

ту перемежающимися с известняком слоями; такой способ обжига на

зывают «пересыпным», а сами печи — пересыпными (36);

2)         на любом твердом топливе, газифицируемом   или  сжигаемом е

выносных топках;

3)         на жидком топливе; .

4)         на газовом топливе.

Применяют также печи, в которых известняк обжигается за счет сжигания короткопламенного топлива, вводимого в шахту вместе с сырьем, и длиннопламенного топлива, одновременно сжигаемого в выносных топках.

По характеру процессов, протекающих в шахтной печи, по ее выср-те различают три зоны. В верхней части печи зона подогрева (зона а на 36); здесь материал подсушивается и подогревается раскаленными дымовыми газами и выгорают органические примеси. В средней части печи располагается зона обжига (зона б), где температура обжигаемого материала изменяется в пределах 850 -> 1200 ~» 900° С; здесь разлагается известняк и из него удаляется углекислый газ. В зоне охлаждения—нижняя часть печи (зона в) —-известь охлаждается с 900 до 50—100° С поступающим снизу воздухом, который в свою очередь нагревается и попадает в зону обжига для поддержания горения.

Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать тепло отходящих газов на подогрев сырья, а тепло обожженного материала — на подогрев воздуха, переходящего в зону обжига. Поэтому пересыпные шахтные печи экономичны по расходу топлива, однако известь в них загрязняется золой топлива. Обжиг на природном газе или жидком топливе позволяет значительно улучшить ?:ачество извести, однако конструкции шахтных печей, использующих эти виды топлива, требуют усовершенствования, особенно в отношении подачи топлива в печь.

Вращающиеся печи позволяют получать известь высокого качества. В них можно механизировать и автоматизировать процессы обжига, применять все виды топлива — пылевидное, твердое, жидкое и газообразное, но они отличаются большим расходом топлива, повыщенными капиталовложениями и расходом электроэнергии.

Весьма эффективным является обжиг

в «кипящем» слое, обеспечивающий быст

рую передачу большого количества тепла

от газа к обжигаемому материалу. Такие

установки отличаются высокой производи

тельностью. Обжигают известь «в кипя

щем» слое (37) в реакторе, представ

ляющем собой металлическую шахту, от^

футерованную внутри и разделенную по

высоте решетчатыми сводами на 3—5 зон.

Материал из одной зоны в другую переда

ется через трубки, имеющие ограничитель.

Высота «кипящего» слоя определяется

расстоянием от переливной трубки до ре

шетки. По периферии реактора расположе

ны горелки для газа или мазута. Много-

зонность реактора позволяет получать из

весть высокого качества при небольшом

расходе топлива. Применение в известко

вой промышленности установок для обжи

га карбонатных пород в «кипящем» слое

позволяет рационально использовать боль

шие количества мелких фракций сырья,

образующихся обычно на карьерах и заво

дах, оборудованных шахтными и даже вра

щающимися печами. Недостатком этих

установок является повышенный расход

топлива и электроэнергии.

Обжиг измельченного известняка во взвешенном состоянии в опытном порядке осуществляется и на других установках, например в обжиговых трубах, в которых тонкоизмельченные частички карбонатного сырья увлекаются потоком раскаленных газов и обжигаются. Осаждается обожженная известь из газового потока в циклонах   и   фильтрах.

Выгружаемую из печей комовую известь транспортируют на склад

в вагонетках или ленточными транспортерами со стальной лентой, для

которой не опасна повышенная температура извести. Комовую известь

хранят на складах бункерного или силосного типа. При этом необходи

мо обеспечивать надлежащую герметизацию и аспирацию мест возмож

ного пылеобразования с последующей очисткой запыленного воздуха.

Перевозить известь следует в специально оборудованных автомашинах,

Еагонах и т. п.

Гашеная известь

Известь воздушная отличается от других вяжущих веществ тем, что может превращаться в порошок не только при помоле, но и путем гашения — действием воды на куски комовой извести. Этот процесс протекает по реакции:

СаО -Ь Н2О->Са(ОН)2 + 15,6 ккал.

При гашении извести выделяется значительное количество, тепла, составляющее 15,6 ккал на 1 г-моль, или 277 ккал на 1 кг окиси кальция.

Теоретически для гашения извести в пушонку, необходимо 32,13% воды от веса СаО. Практически в зависимости от состава извести, степени ее обжига и способа гашения количество воды берут в два, а иногда и в три раза больше, так как в результате выделения тепла при гашении происходит парообразование и часть воды удаляется с паром. На скорость гашения извести оказывают влияние температура и размеры кусков комовой извести: с повышением температуры ускоряется процесс гашения; особенно быстро он протекает при гашении паром при повышенном давлении в закрытых барабанах.

В пушонку известь гасят в специальных машинах-гидраторах. Для гашения извести-кипелки в известковое тесто применяют известегаситель ЮЗ, в котором комовая известь одновременно размалывается, перемешивается с водой до образования известкового молока и сливается в сепаратор-отстойник. После отстаивания молока образуется известковое тесто. Нельзя применять известковое тесто с большим содержанием, не-погасившихся полностью зерен извести, так как они могут погаситься в кладке, что приведет к растрескиванию затвердевшего известкового рас--. твора. Измельчение извести в гасителе ЮЗ способствует практически полному гашению извести, тогда как в других машинах количество не-погасившихся зерен (отходов) может достигать 30%.

Молотая негашеная известь

До недавнего времени воздушную известь применяли в строительстве только в гашеном виде. В 30-х годах И. В. Смирнов предложил применять известь в тонкоизмельченном негашеном виде. Он, а затем и Б. В. Осин показали, что при определенных условиях возможно гид-ратное твердение извести, т. е. твердение при взаимодействии с водой с образованием гидрата окиси кальция, подобно тому, как твердеет портландцемент или гипс при реакции с водой с возникновением гидрат-ных новообразований. Молотая негашеная известь имеет ряд преимуществ при изготовлении растворов и бетонов перед гидратной известью в виде порошка или теста. Для приготовления растворов и бетонов используется вся тонкоизмельченная известь, включая отходы в виде не-погасившихся зерен. При гидратном твердении молотой негашеной извести выделяется значительное количество тепла, что ускоряет процессы твердения извести.

Молотая негашеная известь характеризуется меньшей водопотреб-ностью, чем гашеная известь. Удельная поверхность ее значительно меньше, чем гидратной извести, и требуемую удобоукладываемость бетонной или растворной смеси получают при пониженном расходе воды. Снижение же водопотребности бетонных и растворных смесей способствует увеличению прочности изделий. Кроме того, негашеная известь, гидра-тируясь в уже уложенных растворах и бетонах, связывает большое количество воды, переходящей в твердую фазу. Изделия на негашеной извести имеют повышенную плотность, прочность, водостойкость и долговечность по сравнению с полученными на гашеной извести.

Существенным недостатком негашеной извести является неудобство в работе —' пыление, вредность и др.

- Для ускорения твердения растворных и бетонных смесей на молотой негашеной извести в их состав вводят соляную кислоту, хлористый кальций, а также уменьшают водоизвестковое отношение. Для замедления твердения в начальный период (схватывания) добавляют гипс, сульфат натрия, сульфитно-спиртовую барду и др. или увеличивают водоизвестковое отношение и удлиняют сроки перемешивания смесей. Добавки гипса и хлористого кальция, кроме того, повышают прочность растворов и бетонов, а добавка замедлителей твердения предупреждает образование трещин.

Для производства негашеной извести пригодны известняки, содержащие значительное количество глинистых и магнезиальных примесей, так как при этом не образуются отходы, неизбежные при производстве гидратной извести.

Молотую негашеную известь получают в чистом виде или с активными минеральными добавками. Комовую известь, поступающую со • склада, сначала дробят (в основном на ударно-центробежных дробилках) до зерен размером 5—10 мм. Затем известь тонко размалывают без добавок или с активной минеральной добавкой — гранулированным шлаком, золой от пылевидного сжигания топлива, горелой породой, пуццоланами вулканического или осадочного происхождения и др. При использовании извести для изделий автоклавного твердения возможен ее помол совместно с кварцевым песком. Получают молотую известь обычно в шаровых мельницах, однако для тонкого измельчения активной мягко обожженной извести без твердых включений (пережог, кварцевые примеси и т. п.) можно использовать и валковые, роликовые, бегунко-вые и другие мельницы, работающие по принципу раздавливания материала и трения.

Молотую негашеную известь хранят в закрытых складах не более

5—10 суток во избежание значительной гидратации и карбонизации окиси кальция, а в мешках не более 15 суток, так как и в мешках известь постепенно гидратируется. Транспортируют негашеную известь в битумизированных мешках, контейнерах либо в специально оборудованных загонах, а также в цементовозах.

Твердение извести   -

- В зависимости от вида извести, а также условий, в которых протекает процесс ее твердения, различают три вида твердения: карбонатное, гидратное и гидросиликатное.

Карбонатное твердение известковых растворов или бетонов на га

шеной извести при обычных температурах складывается из двух одно

временно протекающих процессов:           .

1)         испарение механически примешанной воды и постепенная кри

сталлизация гидрата окиси кальция из насыщенного водного раствора;

2)         образование карбоната кальция по реакции:

Са(ОН)2 + СО2 + пН2О = СаСО3 + (п + 1)Н2О.

Процесс кристаллизации гидрата окиси кальция протекает весьма медленно. Испарение воды вызывает слипание мельчайших частиц Са(ОН)г в более крупные и их кристаллизацию. Растущие в растворе кристаллы Са(ОН)2 срастаются друг с другом, образуя известковый каркас, окружающий частицы песка. Образование СаСО3 протекает достаточно интенсивно только в присутствии влаги. Пленка углекислого кальция, образующаяся в первый период твердения на поверхности раствора, затрудняет попадание углекислоты во внутренние слои. В связи с этим процесс карбонизации, который может идти сравнительно интенсивно в присутствии достаточного количества углекислоты, почти при^ останавливается. Гидрат окиси кальция кристаллизуется тем быстрее, чем интенсивнее испаряется вода, поэтому для твердения извести необходима положительная температура и низкая влажность окружающей среды.

Чистое известковое тесто вследствие сильной усадки при высыхании растрескивается и для устранения этого к нему добавляют от 3 до 5 объемных частей песка. Таким образом, введение надлежащего количества заполнителей целесообразно не только с экономической точки зрения, но и с технической, так как заполнители способствуют улучшению процессов твердения и уменьшению усадочных деформаций, при высыхании.

Прочность известковых растворов на гашеной извести невысока.: при твердении растворов в течение 1 мес. в обычных условиях прочность при сжатии составляет 5—10, а в возрасте нескольких десятков лет достигает 50—70 кГ/см2. Это объясняется не только большой степенью карбонизации раствора или бетона, но и некоторым взаимодействием кремнеземистых и карбонатных заполнителей с гидратом окиси кальция.

Искусственной карбонизацией бетонов и растворов возможно получение их высокой прочности (до 300—400 кГ/см2). Особенно эффективными оказываются бетоны на молотой негашеной извести, а также с добавкой мелассы до 0,2% веса извести, способствующей ускорению процесса карбонизации и увеличению прочности.

Гидратным твердением называют процесс постепенного превращения в твердое камневидное тело известковых растворных и бетонных смесей на молотой негашеной извести, являющийся результатом взаимодействия извести с водой и образования гидрата окиси кальция.

Б. В- Осин считает, что при твердении молотой негашеной извести вначале происходит ее растворение в воде с образованием насыщенного, раствора, который быстро становится пересыщенным, а также вследствие отсасывания воды внутрь зерна еще не погасившейся его частью. При быстром и сильном перенасыщении раствора, приготовленного на негашеной извести, образуются коллоидные массы. Они появляются также и вследствие того, что получающийся (при затворении негашеной извести водой) гидрат окиси кальция состоит из частиц, приближающихся по своим размерам к коллоидным. Коллоидный гидрат окиси кальция быстро коагулирует в гидрогель, склеивающий зерна. По мег ре дальнейшего отсасывания воды внутренними слоями зерен, а также ее испарения, гидрогель уплотняется, что вызывает рост прочности твердеющей извести. Образующийся при твердении гашеной извести гидрогель содержит очень много воды, и его клеящая способность ослаблена, что не наблюдается при твердении негашеной извести. Кристаллизация гидрата окиси кальция в условиях схватывания гасящейся извести способствует дальнейшему росту ее прочности. Последующая карбонизация гидрата окиси кальция также повышает прочность затвердевшего раствора.

Таким образом, при затвррении водой молотой негашеной извести происходит гидратационное твердение, характерное и для других вяжущих веществ, выражающееся в гидратации окиси кальция и последующей коллоидации и кристаллизации продукта гидратации. Для процесса твердения в обычных температурах имеет также значение испарение свободной воды при   высыхании   и   естественная   карбонизация.

Условиями, способствующими гидратационному твердению, являют

ся быстрый и равномерный отвод выделяющегося при твердении тепла,

использование форм, не допускающих увеличения объема твердеющей

массы, и введение добавок типа с.с.б., замедляющих процесс гидрата

ции извести. При этом возникающая в процессе г'идратационного твер

дения коагуляционная структура сохраняется и в ней выкристаллизовы

ваются гидраты новообразований. Если же коагуляционная структура

разрушается из-за повышения температуры или увеличения объема, то

при большой скорости гидратации извести новая структура не успевает

возникнуть, и процесс перекристаллизации заканчивается в отдельных

несросщихся частицах извести. Для улучшения условий гидратационно-

го твердения известь необходимо равномерно обжигать и возможно

тоньше измельчать.  '

Гидросиликатное твердение. Изготовление изделий из известково-

песчаных смесей длительное время не получало развития вследствие то

го, что при обычных температурах гашения известь твердеет очень мед

ленно, а изделия на ее основе имеют небольшую прочность. Если же

известково-песчаные силикатные изделия обрабатывать паром повышен

ного давления — 9—16 атм, — что соответствует температурам 174,5—

200° С, то в автоклаве происходит химическое взаимодействие между из

вестью и кремнеземом песка с образованием гидросиликатов кальция,

обеспечивающих высокую прочность и долговечность получаемых из

делий.

Способ водотепловой обработки известково-песчаных смесей был предложен В. Михаэлисом в 1880 г. и был положен в основу производства силикатного кирпича, а в'последнее время — крупноразмерных силикатных конструкций и изделий.

При автоклавном твердении известково-песчаных материалов известь в основном не представляет собой вяжущего, при гидратации и карбонизации которого возникает прочное камневидное тело требуемой прочности, как при обычных температурах. В данном случае известь является одним из двух компонентов, в результате взаимодействия которых образуется гидросиликат кальция — основное цементирующее вещество автоклавных известково-песчаных материалов. Необходимая прочность их достигается не путем физического сцепления гидратных новообразований вяжущего с зернами заполнителя, а вследствие химического взаимодействия между основными компонентами сырьевой смеси — известью и кварцевым песком.

Твердение известково-кремнеземистых материалов в условиях термообработки паром в автоклавах является следствием ряда сложных физико-химических процессов, проходящих в три стадии

1)         образование кристаллических зародышей гидросиликатов, неко

торый рост кристаллов и увеличение их числа без срастания;

2)         формирование кристаллического сростка;

3)         разрушение (ослабление)  сростка вследствие   перекристаллиза

ции контактов между кристаллами.

Твердеют новообразования, количество и состав которых непрерывно меняется, в течение гидротермальной обработки изделия.

Свойства воздушной извести

В зависимости от содержания активных СаО и MgO, а также непо-гасившихся частиц негашеная и гашеная известь, за исключением карбонатной, делится на два сорта I и П.

Пластичность извести связана с высокой водоудерживающей способностью. Тонкодисперсные частички гидрата окиси кальция, адсорб-ционно удерживая на своей поверхности значительное количество воды, создают своеобразную смазку, уменьшая трение между частицами. Чем известь активнее и полнее гасится, чем больше выход известкового теста из 1 кг комовой извести, тем дисперснее частички извести и больше, ее пластичность.

Водопотребность и водоудерживающая способность строительной извести зависит от ее вида и дисперсности частиц. Для изготовления известковых кладочных растворов на 1 м3 обычно расходуется 300—500 л воды и более.

Повышенной водопотребностью и водоудерживающей способностью

обладает гашеная известь в виде порошка или теста, пониженной —

молотая негашеная. Поэтому из негашеной молотой извести можно при

готовлять растворы и бетоны с пониженным водосодержанием, более

высокой плотности и, следовательно, прочности и долговечности. Удо-

бообрабатываемость же растворных смесей на молотой негашеной из

вести ниже, чем на гашеной.