Минеральные вяжущие вещества

Тема

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Вопросы темы

1. Основные понятия и определения

2. Воздушные вяжущие вещества

2.1. Гипсовые вяжущие

2.1.1. Низкообжиговые гипсовые вяжущие

2.1.2. Высокообжиговые гипсовые вяжущие

2.2. Магнезиальные вяжущие

2.3. Растворимое стекло и кислотоупорный цемент

2.4. Воздушная известь

Вяжущие (матрица композиционного материала)

Порошкообразные вещества (кроме жидкого стекла), способные при смешивании с жидкостью (водой или растворами солей) образовывать пластичное тесто, которое под влиянием физико-химических процессов, постепенно затвердевая, переходит в камневидное состояние.

По способности твердеть и набирать прочность вяжущие вещества делятся на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества, будучи смешаны с водой, могут образовывать искусственный камень (твердеть) только в воздушно-сухой среде. Как правило, причиной такого является высокая растворимость продуктов твердения. Например, для строительного гипса она составляет 2,0 г/л. для извести 1,2 г/л. Коэффициент размягчения для таких вяжущих веществ намного меньше 0,85 и составляет зачастую 0,4-0,6.

Гидравлические вяжущие вещества, будучи смешаны с водой, могут образовывать искусственный камень (твердеть) в атмосфере любой влажности, а также непосредственно в воде.

ВОЗДУШНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

2.1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Гипсовые вяжущие вещества получаются из

- природного двуводного гипса CaSO₄^.2H₂O,

- природного ангидрита CaSO₄

- отходов промышленности (фосфогипс)

в результате их термической обработки.

Кристаллы ангидрита

Фосфогипс

Побочный продукт промышленного производства, в основном содержащий двуводный гипс.

Фосфогипс – ценное сырьё для получения строительного гипса.

В большинстве случаев фосфогипс получают по дигидратной технологии, в которой сочетание температуры и концентраций реагирующих веществ способствует образованию преимущественно кристаллогидрата сульфата кальция с двумя молекулами воды.

В дигидратном режиме фосфогипс кристаллизуется относительно медленно, в результате чего формируются крупные, хорошо отмывающиеся кристаллы.

При повышении концентрации серной кислоты в процессе разложения апатита фосфогипс кристаллизуется в полугидратной форме; средний размер кристаллов уменьшается.

Фосфогипс из фосфоритов отличается большим содержанием кремнезема в активной форме и меньшим - сульфата кальция.

Гранулы получают, используя в качестве связующего дегидратированный до полугидрата или растворимого ангидрита фосфогипс либо вводя дополнительные компоненты, увеличивающие прочность.

Для предотвращения улетучивания фтора во время сушки, присутствие которого в цементной шихте благоприятно влияет на процесс клинкерообразования, его связывают введением в фосфогипс около 2 % оксида кальция или 7-10 % карбоната кальция.

Фосфогипс можно обжигать в аппаратах кипящего слоя, шахтных и вращающихся печах, агломерационных лентах и другом оборудовании.

Для повышения концентрации сернистого ангидрида в газе, увеличения скорости разложения и предотвращения спекания материала в псевдоожиженном слое предлагается вводить серосодержащие добавки - углистый колчедан, сернистый мазут, элементарную серу, сульфат натрия. При оптимальной температуре 1200 °С уже через 5 мин фосфогипс разлагается более чем на 97 %, объемное содержание диоксида серы в газе достигает 9 %.

В цементной промышленности фосфогипс используется как сырье для производства сульфоминерального цемента; основной кальцийсодержащий компонент при изготовлении портландцементного клинкера.

Фосфогипс по содержанию двуводного сульфата кальция приравнивается к первосортному гипсовому сырью; не требуется затрат на содержание карьеров или шахт, на дробление и помол.

Складирование фосфогипса

В зависимости от температуры тепловой обработки они делятся на 2 группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

2.1.1. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества

- Строительный и формовочный гипс

- Высокопрочный гипс

Основой технологии является термическая обработка исходной горной породы

CaSO₄∙2H₂O = CaSO₄^.0,5∙H₂O + 1,5∙H₂O

Температура тепловой обработки находится в пределах 110-180^оС. Больше значение имеют условия обработки, в частности, давление. При нормальном давлении образуются строительный и формовочный гипс, а при повышенном (в автоклавах) – высокопрочный гипс.

Строительный и формовочный гипс состоят из кристаллов β - модификации, отличающейся мелкокристаллическим строением, большей удельной поверхностью смачивания, а, следовательно, и повышенной водопотребностью (50-70%).

Нормативные показатели качества определяются ГОСТ 125

Сроки схватывания:

- А – быстросхватывающиеся (2-15 мин);

- Б – нормально схватывающиеся (6-30мин);

- В – медленно схватывающиеся (Н_схв ≥20 мин).

По пределу прочности при сжатии установлено 12 марок: Г-2 – Г-25.

Тонкость помола

При твердении они увеличиваются в объеме примерно на 1%. Твердение происходит с выделением тепла. Нельзя применять при температуре выше 60^оС и при влажности более 60%. Формовочный гипс имеет более тонкий помол и применяется в керамической и фарфорово-фаянсовой промышленности для изготовления форм.

Высокопрочный гипс состоят из кристаллов α - модификации, отличающейся крупнокристаллическим строением, меньшей удельной поверхностью смачивания, а, следовательно, и меньшей водопотребностью (40-50 %). Прочность его может достигать 40 МПа и выше. В основном применяется для изготовления элементов стен и сборных перегородок, стеновых камней.

Твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих веществ

Происходит в 3 периода (теория Байкова А.А.)

CaSO₄^.0,5H₂O + 1,5H₂O = CaSO₄^.2H₂O + Q.

1 период – растворение. Сначала образуется истинный раствор с ярко выраженной диффузией. Образующийся CaSO₄^.2H₂O имеет растворимость 2 г/л, а CaSO₄^.0,5H₂O – 8,5 г/л. Раствор быстро насыщается, происходит пересыщение раствора и наступает 2 период твердения. По времени соответствует началу схватывания гипсового теста.

2 период – коллоидация (гелеобразование). Образующийся раствор проявляет уже слабую диффузию, происходит слипание частиц – образование геля (гипсового теста). Структура не жесткая, коагуляционная, обладает тиксотропностью, т.е. обратимостью свойств. По времени соответствует концу схватывания гипсового теста.

3 период – собственно твердение. Образуются жесткие связи за счет кристаллизации геля, уплотнение и набор прочности кристаллического каркаса

2.1.2. Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества

Ангидритовый цемент

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс)

Обжигают при температурах 600-1000^оС, поэтому происходит полное обезвоживание исходного сырья, причем при максимальной температуре ангидрит подвергается термической диссоциации с образованием СаО. Небольшое количество СаО играет роль активизатора вяжущего с водой. Можно получить ангидритовое вяжущее и без обжига помолом природного ангидрита с активизатором твердения (известью, обожженным доломитом). Основное применение: растворы, мозаичные бесшовные полы, подготовка под линолеум, искусственный мрамор.

Ангидритовый цемент получают обжигом при 600-700^оС. Помол с активизаторами твердения (Na₂SO₄, NaHSO₄, K₂SO₄, FeSO₄ и др.). Известь до 3-5%. Водопотребность 30-50%. R_сж до 20 МПа, Н_схв ≥30 мин.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом при 800-1000 ^оС. Частичное разложение с образованием СаО. Н_схв ≥2 час. R_сж до 20 МПа. Водопотребность 30-35%. Уплотнение лучше производить в момент схватывания.

2.1.3 Изделия на основе гипса

В виду того, что при твердении гипсовых вяжущих веществ создается практически нейтральная среда с минимальной кислотностью, лучшими заполнителями являются органические заполнители: макулатура, солома, опилки, камыш, стружка, волос. Из минеральных: шлак, туф, аглопорит, кирпичный бой, пемза.

Быстрое твердение и высокие формовочные свойства дают возможность сократить технологический процесс, повысить оборачиваемость форм, открывают широкую перспективу для изготовления сборных элементов зданий и снижения стоимости строительства. Следует отметить и ряд недостатков, характерных для гипсовых изделий: низкая водостойкость, ползучесть.

Гипсовые изделия получают из гипсового раствора (иногда с небольшой добавкой органических или молотых минеральных заполнителей).

Гипсобетонные изделия получают из гипсового раствора с добавлением легких и пористых минеральных заполнителей (шлаки, туф, пемза, ракушечник), с которыми гипсовый камень хорошо сцепляется. Применение органических заполнителей (сечка из древесной шерсти, сломы, камыша, измельченная макулатура, опилки, стружка) позволяет значительно снизить плотность материалов.

Плиты и панели для перегородок (несущие). Деревянный реечный каркас. Без проемов и с проемами для дверей толщиной 40, 60, 80, 100 мм. Можно устанавливать скрытую электропроводку. Пенообразователи, АМД, стекловолокно, картон. В теплых районах можно использовать для наружной отделки зданий. R до 7 МПа.

Гипсовые обшивные листы (сухая штукатурка). Отделка стен и перегородок. Хорошо оклеиваются и окрашиваются. Приклеиваются или прибиваются. Клей – мел, гипс, казеин. Легко режутся, трудносгораемые, хрупкие, плохая гвоздимость. Высота на всю высоту помещения – 250, 270, 290, 330 см. Ширина 120 и 130 см, толщина 10-12 мм.

Гипсоволокнистые изделия. Гипс = 90-95%, волокно (солома, бумага) = 5-10%, добавки (жидкое стекло, декстрин). Литье. Тепло- и звукоизоляция. Перегородки, подоконные плиты. R_сж до 30 МПа. R_и до 20 МПа.

Панели основания пола. ГЦПВ. Прокат. Деревянный каркас. Размер на комнату толщиной не менее 50 мм. Оклейка линолеумом, плитами, мастиками. R_сж не менее 7 МПа.

Сухие штукатурные смеси. Замедлители схватывания (до 2 час). Механизация нанесения.

Акустические изделия. Вспученный перлит, асбест, пена.

Архитектурные изделия.

2.2. МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Получают обжигом природных горных пород – магнезита и доломита с последующим помолом.

Магнезит

Доломит

2.2.1. Каустический магнезит

Получается обжигом природного магнезита в шахтных (650-800^оС), вращающихся (1000 ^оС) печах

MgCO₃ = MgO + CO₂.

Более высокая температура вредна, т.к. возможен пережог – периклаз. Нормально обожженный магнезит при слабых ударах рассыпается в порошок. Твердеет медленно и малопрочен. Затворение лучше производить растворами магнезиальных солей, чаще MgCl₂ При этом вслед за гидратацией MgO + H₂O = Mg(OH)₂ происходит образование гидрооксихлорида магния

Mg(OH)₂ + MgCl₂ + 3H₂O = 3MgO^.MgCl₂^.6H₂O.

Твердение ускоряется при повышении температуры. Каустический магнезит химически почти нейтрален, т.к. Mg(OH)₂ - слабая щелочь, а 3MgO^.MgCl₂^.6H₂O - нейтральная соль. Поэтому лучше применять в соединениях с органическими заполнителями.

Плотность 3,2-3,4. MgO ≥ 83%. СаО ≤ 4,5%, Н _схв ≥ 20 мин. К _схв ≤ 6 час.

Марки 400, 500, 600. Утрамбованный во время схватывания каустический магнезит может достичь R_сж до 100 МПа. В качестве затворителей можно применять MgSO₄, а также заменить часть MgCl₂ на FeSO₄, однако при этом возможно образование выцветов.

2.2.2. Каустический доломит

Получается обжигом природного доломита при температурах 650-750^оС.

MgCO₃^.СаCO₃ = MgO^.+СаCO₃ + CO_2.

При более высоких температурах возможно разложение СаCO₃ и снижение качества. Плотность 2,8-2,9. Н _схв = 3-10 час. К _схв = 8-20 час. Марки 100, 200, 300. Утрамбованный во время схватывания каустический магнезит может достичь R_сж до 50 МПа.

Изделия на основе магнезиальных вяжущих веществ

На основе магнезиальных вяжущих веществ получают изделия, отличающиеся высокой ударной вязкостью, обрабатываемостью, тепло- и звукоизоляцией.

Магнезиальный фибролит. Спрессованные и затвердевшие плиты, изготовленные из древесной шерсти, стружек, связанные каустическим магнезитом. Приготовление раствора соли, перемешивание с магнезитом, приготовление смеси, прессование при 0,04-0,05 МПа, твердение и сушка. Оштукатуривание с обеих сторон. Конструктивный и теплоизоляционный с плотностью 500-550 и 350-400. Перегородки, перекрытия, заполнение стен в сухих помещениях с температурой не выше 70 ^оС.

Несъемная опалубка из фибролита

Ксилолит. Опилки сосны и ели. Давление до 30 МПа в течение 1-2 суток до полного отвердевания. Смывка водой избытка MgCl₂, сушка на воздухе, а затем в сушилах. Можно пилить, строгать, сверлить. Монолитные полы или плитки различных размеров и форм. По теплопроводности не хуже древесины, плотность 1,0-1,2. После просушки можно пропитывать растительным маслом, а затем натирать как паркет. Бесшумные полы по твердому основанию в сухих помещениях.

2.3. РАСТВОРИМОЕ СТЕКЛО И КИСЛОТОУПОРНЫЙ ЦЕМЕНТ

Растворимое стекло изготавливают из измельченной и тщательно перемешанной смеси кварцевого песка, кальцинированной соды Nа₂CO₃ сплавлением в стекловаренных печах при 1300-1400 ^оС (натриевое стекло)

Nа₂CO₃ + n∙SiO₂ = Nа₂O∙nSiO₂ + CO₂

После плавления резко охлаждают, образуется силикат-глыба, не обладающая вяжущими свойствами. Далее автоклавная обработка с образованием коллоидного раствора плотностью 1,3-1,5 и содержанием воды 50-70%. Не горит и не загнивает.

При замене соды на поташ К₂CO₃ получается калиевое стекло К₂O∙n∙SiO₂.

Общая формула жидкого стекла

R₂O·nSiO₂,

где n – модуль стекла.

Чем он выше, тем выше клеящая способность. У натриевого: 2,5-3,0, у калиевого 3-4.

Твердеет за счет высыхания и выделения аморфного кремнезема под действием CO₂:

R₂O∙nSiO₂ + CO₂ + m∙H₂O = R₂O∙CO₃ + n∙SiO₂m∙H₂O

Твердение возможно под действием кислот, CaCl₂. Для ускорения твердения применяют нагревание, а также катализатор – кремнефтористый натрий Na₂SiF₆.

Na₂SiF₆ + H₂O + 2Nа₂O.SiO₂ = 6NаF + 3Si(OН)₂.

Применяют жидкое стекло для приготовления жароупорных и огнеупорных бетонов (до 1400 ^оС), для уплотнения (силикатизации) грунтов, бетона и естественного камня, для приготовления огнезащитных обмазок.

Калиевое стекло применяют в силикатных красках для окраски фасадов и внутренних поверхностей жилых, общественных и производственных зданий. Красочный состав не размокает, т.к. в тонком слое карбонизация проходит быстро по всей толще.

При нанесении ее на поверхность свежего бетона часть силиката калия реагирует со свободной известью с образованием нерастворимого в воде силиката кальция.

К₂O∙nSiO₂. + Са(ОН)₂ + m∙H₂O = СаО∙SiO₂ + (n+1) ∙SiO₂m∙H₂O + 2КОН

При введении АМД улучшается связывание щелочи. Повышается модуль стекла и пленка краски становится малорастворимой.

Кислотоупорный цемент получают путем затворения жидким стеклом тонкоизмельченной смеси чистого кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Кварцевый песок можно заменить кислостойкими породами (кварцит, диабаз

Твердение кислотоупорного цемента происходит интенсивно только в тонких слоях и изделиях. Поэтому применяют в основном для обмазок, окрасок и при укладке плиток.

Нельзя применять в изделиях, подвергающихся действию воды и щелочей, а также при температурах ниже – 10 ^оС. не рекомендуется использовать при строительстве объектов пищевой промышленности из-за токсичности Na₂SiF₆.

2.4. ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ

Продукт обжига не до спекания (1000-1200 ^оС) кальциево-магниевых карбонатных пород (мел, известняк, мрамор, доломит), содержащих не более 6% глинистых примесей.

СаСО₃ = СаО + СО₂.

Кроме основной составляющей СаО в воздушной извести всегда содержится определенное количество MgO. Чем выше содержание активных составляющих (СаО+MgO), тем пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт. 1 сорт содержит не менее 90%, 2 сорт – не менее 80%, 3 сорт – не менее 70%. При содержании MgO до 5% - кальциевая. При 5-20% - магнезиальная, при 20-40% – доломитовая, выше 40% доломит.

Для характеристики качества и свойств извести пользуются соотношение оксидов, выраженных в % - гидравлическим модулем

m= СаО/(SiO₂ + AL₂O₃ + Fe₂O₃).

Для сильно-гидравлической извести он равен 1,7-4,5, для слабо-гидравлической извести 4,5-9,0, для воздушной извести более 9.

Разновидности воздушной извести

- Негашеная комовая (кипелка)

- Негашеная молотая (Смирнова)

- Известь гидратная (пушонка)

- Известковое тесто

- Известковое молоко

Негашеная комовая (кипелка). Под действием воды известь гасится с большим выделением тепла. Лучше применять куски одинакового размера, что исключает недожог или пережог извести.

Воздушная известь - единственное вяжущее, которое переводится в тонкодисперсное состояние под действием воды (гашением), т.е. химическим путем. Является полуфабрикатом для получения других видов извести. По скорости гашения различают

- быстро-,

- средне-

- и медленногасящуюся извести (8-25 мин).

Негашеная молотая (Смирнова). Тонкомолотый порошок извести-кипелки.

Недостаток – быстрая потеря вяжущих свойств из-за высокой гигроскопичности. Желательно использовать сразу после помола. Время хранения 10-15 суток в сухих складах. Можно вводить тонкомолотые минеральные добавки. Для ускорения твердения вводят CaCL₂, для замедления – гипс, H₂SO₄ и ЛСТ. Кроме того, гипс и H₂SO₄ повышают прочность. Относится к быстротвердеющим вяжущим веществам.

Известь гидратная (пушонка)

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q

Тепла выделяется до 280 ккал/кг. При гашении следует добавлять 60-80% воды, тогда комья негашеной извести рассыпаются в порошок (пух), объем увеличивается в 2-3 раза. Если гашение происходит в замкнутом объеме, то появляются большие напряжения. Этот момент раньше использовали при раскалывании горных пород.

Пушонка, реагируя с СО₂ воздуха, самопроизвольно переходит в пыленку с потерей вяжущих свойств. Красочный слой при использовании пыленки – отбеливает (пачкает), т.к. известь не затвердевает на окрашиваемой поверхности и не сцепляется с ней.

Известковое тесто. Получается при добавлении 200-300 % воды. Применяется для получения кладочных и штукатурных растворов.

Известковое молоко. Можно получать при добавлении воды более 400% или после отстаивания известкового теста. Применяют как лакокрасочный материал. Качество известкового теста и известкового молока улучшается пропорционально времени.

Твердение воздушной извести

В зависимости от вида извести и условий твердения различают

- гидратное,

- карбонатное,

- гидросиликатное твердение.

Гидратное твердение. Этот вид твердения происходит без выделения тепла, т.к. гашение извести уже произошло вне теста. Эффект твердения обусловливается взаимным сцеплением и срастанием образующихся субмикроскопических частичек гидроксида кальция и усиливается тем, что из-за химического связывания воды значительно увеличивается доля твердой фазы. Протекает по теории Байкова А.А. с постепенной карбонизацией раствора.

Карбонатное твердение. Процесс постепенного затвердевания растворных и бетонных смесей, изготовленных из гашеной извести, при воздействии на них СО₂ воздуха:

Са(ОН)₂ + n∙Н₂О + СО₂ = СаСО₃ + (n+1) ∙Н₂О.

Одновременно протекает 2 процесса: кристаллизация гидроксида кальция Са(ОН)₂ из насыщенного водного раствора и образование СаСО₃. Испарение воды уплотняет массу. Дальнейшее высыхание упрочняет ее, но процесс твердения идет очень медленно (месяцами и даже годами).

Гидросиликатное твердение. Процесс постепенного превращения известково-кремнеземистых смесей в камневидное тело, обусловленный образованием гидросиликатов кальция при ТВО в автоклавах при давлении 8-10 атм и температуре 170-200 ^оС.

Са(ОН)₂ + SiO₂ + nН₂О = СаО∙SiO₂ (n+1) Н₂О

Свойства и применение воздушной извести

Белая, при твердении уменьшается в объеме, медленно твердеет, кроме извести Смирнова. Прочность зависит от условий твердения: при гидратном твердении прочность достигает 1-2 МПа через 28 суток, при карбонатном твердении прочность снижется, а при автоклавной обработке прочность может достичь 20 МПа. Применяется для получения растворов, бетонов низких марок, силикатного кирпича, известково-шлакового и известково-зольного кирпича, автоклавных материалов, смешанных вяжущих, красочных составов.

Силикатный кирпич.

Песок – 92-95%, известь – 5-8%. Влажность не более 7%. Способ формования – прессование,

Марки по прочности 100, 125, 150, 200, 250. Морозостойкость не менее 15 циклов. Плотность 1700-1900 кг/м³. Дешевле керамического на 30-40%. Малая стойкость в растворах кислот и щелочей. Область применения - кладка стен и облицовка. Нельзя использовать для цоколей, фундаментов, печей.

Силикатный бетон. Песок – 70-80%, молотый песок – 8-15%, известь – 6-10%. Низкомарочные: 25,50,75,100,150; среднемарочные: 200,300,400,500; высокомарочные: 600,700,800,900,1000.

Известково-зольный и известково-шлаковый кирпич. Зола – 75-80%, шлак – 88-97%. Плотность 1400-1600. Марки по прочности 25,50,75. Морозостойкость не менее 10 циклов. Применяются для малоэтажных зданий или для верхних этажей высотных зданий

Дата добавления: 2015-08-27