Минеральные вяжущие вещества

 

Минеральные вяжущие вещества это тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто , под влиянием физико-химических процессов переходящее в камневидное состояние.

Содержание статьи:

〉 Минеральные вяжущие вещества;

〉 Воздушные вяжущие вещества;

〉 Гидравлические вяжущие вещества.

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, под влиянием физико-химических процессов переходящее в камневидное состояние. Это свойство вяжущих веществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий. Различают минеральные вяжущие вещества воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества твердеют, долго сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим веществам относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и кислотоупорный цемент.

Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и длительно сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гидравлическая из весть.

Их используют как в надземных, так и в подземных и под водных конструкциях. Наряду с этим различают вяжущие вещества, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке — давлении насыщенного пара 0,8…1,2 МПа и температуре 170…200°С. В группу вяжущих веществ автоклавного твердения входят известково-кремнеземистые и известково-нефелиновые вяжущие.

Воздушные вяжущие вещества

◊ Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса CaSO4·H2O до температуры 150…160°С с частичной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный гипс CaSO4·0,5H2O.

Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре до 700…
1000°С с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция — ангидрита CaSO4. К низко обжиговым относится строительный, формовочный и высокопрочный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и эстрих-гипс.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и природный ангидрид CaSO4, а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс. Возможно применение гипсосодержащего природного сырья в виде сажи и глиногипса.

Гипсовым вяжущим называют воздушное вяжущее вещество, состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемое
путем тепловой обработки гипсового камня при температуре 150…160°С. При этом двуводный гипс CaSO4·2H2O, содержащийся в гипсовом камне, дегидратирует по уравнению:
CaSO4 · 2Н2О= CaSO4 · 0,5Н2О+ 1,5Н2О

В этих условиях образуются мелкие кристаллы полуводного сернокислого кальция β-модификации;такой гипс обладает повышенной водопотребностью (60…65% воды). Избыточная вода, т. е. сверхпотребная на гидратацию гипса (15%), испаряется, образуя поры, вследствие чего затвердевший гипс имеет высокую пористость (до 40%) и соответственно небольшую прочность.

Производство гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня. Имеется несколько технологических схем производства гипсового вяжущего: в одних помол предшествует обжигу, в других помол производится после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига гипса во взвешенном состоянии. Тепловую обработку гипсового камня производят в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных или других мельницах.

Рисунок-1. Технологическая схема производства строительного гипса с применением варочных котлов:

1— мостовой грейферный кран;2 — бункер гипсового камня;3 — лотковый питатель;4 — щековая дробилка; 5 — ленточные транспортеры;6 — бункер гипсового щебня; 7 — тарельчатый питатель;8 — шахтная мельница;9 — сдвоенный циклон;10 — батарея циклонов; 11 — вентилятор; 12 — рукавные фильтры;13 — пылеосадительная камера;14— шнеки;15 — бункер сырого молотого гипса;16 — камера томления;17 — гипсоварочный котел; 18 — элеватор;19 — бункер готового гипса;20 — скребковый транспортер.

Наиболее распространена схема производства гипсового вяжущего с применением варочных котлов (рис. 1). Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят, затем измельчают в мельнице, одновременно подсушивая его. В порошкообразном виде камень направляют в варочный котел периодического или в установку непрерывного действия. Последняя имеет в 2…3 раза выше производительность, но еще находится в стадии практического освоения.

Рисунок-2. Варочный котел для изготовления строительного гипса:

1 —днище; 2 — смеситель; 3 — электродвигатель;4 — котел; 5 — жаровые трубы; б — выгрузочный желоб.

Варочный котел периодического действия (рис. 2) представляет собой обмурованный кирпичом стальной котел 4 со сферическим днищем 1, обращенным выпуклой стороной внутрь цилиндра. Для перемешивания гипса в котле имеется мешалка2, приводимая в движение электродвигателем3. 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. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива. Гипсовое вяжущее в сушильных барабанах получают путем обжига гипсового камня в виде щебня размером до 20 мм.Обжиговой частью сушильного барабана служит наклонный стальной цилиндр диаметром до 2,5 м и длиной до 20 м, установленный на роликовых опорах и непрерывно вращающийся.

Гипсовый щебень подается в барабан с приподнятой стороны и в результате вращения наклонного барабана перемещается в сторону наклона. Из топки в барабан поступают раскаленные дымовые газы, которые при движении вдоль барабана обжигают гипсовый камень, а с противоположной стороны удаляются вентилятором. Далее гипсовый камень измельчают в мельницах.

При обжиге гипса во взвешенном состоянии совмещают две операции: измельчение и обжиг. В мельницу (шахтную, шаровую или роликовую) подают гипсовый щебень и одновременно нагнетают горячие дымовые газы. Образующиеся при размоле мельчайшие зерна гипса товарной фракции увлекаются из мельницы потоком дымовых газов и в процессе транспортирования в раскаленном газовом потоке обжигаются. Пылевоздушная смесь поступает в циклоны и фильтры для осаждения гипса.

Наибольшую производительность из рассмотренных схем имеет последняя, затем схема обжига в сушильных барабанах и, наконец, в варочных котлах. Однако первые две схемы существенно уступают по качеству продукции схеме с варкой гипса. При затворении порошка гипса водой полуводный сернокислый кальций CaSO4·0,5H2O, содержащийся в нем, начинает растворяться до образования насыщенного раствора и одновременно гидратироваться, присоединяя 1,5 молекулы воды и переходя в двугидрат CaSO4·2H2O по уравнению:

CaSO4 · 0,5Н2О+ 1,5Н2О= CaSO4 · 2Н2О

Растворимость двугидрата примерно в 5 раз меньше растворимости исходного порошка — полугидрата CaSO4·0,5H2O. В результате образовавшийся насыщенный раствор полугидрата оказывается пересыщенным по отношению к двугидрату. Пересыщенный раствор в обычных условиях не может существовать — из него выделяются мельчайшие частицы твердого вещества — двуводного сернокислого кальция.

По мере накопления этих частиц они склеиваются между собой, вызывая загустевание (схватывание) теста. Затем мельчайшие частицы гидрата начинают кристаллизоваться, определяя этим образование прочного гипсового камня. Дальнейшее увеличение прочности гипса происходит вследствие высыхания твердеющей массы и более полной кристаллизации при этом. Твердение гипса можно ускорить сушкой, но при температуре не выше 65 °С во избежание обратной дегидратации двуводного гипса.

Быстрое схватывание гипса затрудняет в ряде случаев его использование и вызывает необходимость применения замедлителей схватывания (кератинового, известково-кератинового клея, сульфитно-дрожжевой бражки в количестве 0,1…0,3% от массы гипса). Замедлители схватывания уменьшают скорость растворения полуводного гипса и замедляют диффузионные процессы. При необходимости ускорить схватывание гипса к нему добавляют двуводный гипс, поваренную соль, серную кислоту. Одни из них повышают растворимость полуводного гипса, другие (двуводный гипс) образуют центры кристаллизации, вокруг которых быстро закристаллизовывается вся масса.

Применяется гипсовое вяжущее для производства гипсовых и гипсобетонных строительных изделий для внутренних частей зданий (перегородочных плит, панелей, сухой штукатурки, приготовления гипсовых и смешанных растворов, производства декоративных и отделочных материалов, например искусственного мрамора), а также для производства гипсоцементно-пуццолановых вяжущих.

Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного гипса. Этот полуводный гипсα-модификации,который имеет более крупные кристаллы, обусловливающие меньшую водопотребность гипса (40…45% воды), позволяет получать гипсовый камень с большей плотностью и прочностью. Получают его путем нагревания природного гипса паром под давлением 0,2…0,3 МПа с последующей сушкой при температуре 160…180°С. Прочность его за 7 сут достигает 15…40 МПа.

Высокопрочный гипс выпускают пока в небольшом количестве и применяют в основном в металлургической промышленности для изготовления форм. Однако он успешно может заменить обыкновенное гипсовое вяжущее, обеспечив изделиям высокую прочность.Формовочный гипс состоит в основном из кристаллов β-модификации и незначительного количества примесей.

Он обладает повышенной водопотребностью, а будучи затвердевшим, имеет высокую пористость. Это свойство формовочного гипса успешно используется в керамической и фарфоро-фаянсовой промышленности для изготовления форм.

◊ Свойства и применение низкообжиговых гипсовых вяжущих веществ
Основными характеристиками гипсовых вяжущих являются сроки схватывания, тонкость помола, прочность при сжатии и растяжении, водопотребность и др. Гипсовое вяжущее является быстросхватывающим и быстротвердеющим вяжущим веществом. По срокам схватывания ГОСТ 125—79предусматривает выпуск вяжущих: быстротвердеющего (индекс А) с началом схватывания не ранее 2 мин, концом — не позднее 15 мин; нормальнотвердеющего (индекс Б) с началом схватывания не ранее 6 мин, концом — не позднее 30 мин; медленнотвердеющего (индекс Б) с началом схватывания не ранее 20 мин, конец схватывания не нормируется.

В зависимости от степени помола различают вяжущие грубого, среднего и тонкого помола с максимальным остатком на сите с размером ячеек в свету 0,2 мм не более 23, 14 и 2% (обозначаемые соответственно индексами I, II и I I I ) .
Марку гипсовых вяжущих характеризуют по прочности при сжатии образцов-балочек40×40×160 мм в возрасте 2 ч после затворения водой. Минимальный предел прочности каждой марки должен соответствовать значениям, приведенным в табл. 5.1.

Четкое индексирование различных сортов гипсовых вяжущих позволяет давать большой объем информации в сокращенной форме. Например, гипсовое вяжущее с прочностью при сжатии 5,2 МПа, началом схватывания 5 мин, концом схватывания 9 мин и остатком на сите 0,2 мм 9%, т. е. вяжущее марки Г-5,быстротвердеющее, среднего помола, может быть записано в виде сокращенного обозначения Г-5 АП.

Таблица 5.1. Применяемые значения предела прочности каждой марки гипсового вяжущего

Чтобы получить гипсовое удобоукладываемое тесто, необходимо взять 60…80% воды от массы вяжущего, а на химическую реакцию гидратации требуется лишь 18,6% воды. Избыток ее остается в порах, затем испаряется, поэтому получившийся в результате твердения полуводного гипса гипсовый камень обладает высокой пористостью, достигающей 40…60% и более.

Чем больше воды затворения, тем выше пористость камня, а прочность его соответственно меньше. Прочность гипсовых образцов, высушенных при температуре до 60°С, в 2…2,5 раза выше прочности влажных образцов после 1,5 ч твердения. Лучшие сорта гипса после сушки имеют прочность при сжатии 18…20 МПа, а прочность при растяжении в 6…8 раз меньше.

При твердении гипс расширяется в объеме до 1%, благодаря чему гипсовые отливки хорошо заполняют форму и передают ее очертания. При его высыхании трещин не образуется, что позволяет применять гипсовое вяжущее без заполнителей.
Гипсовое вяжущее в воде снижает свою прочность вследствие растворения двугидрата и разрушения кристаллического сростка. Водостойкость его может быть повышена введением небольших количеств гидрофобных веществ (олеиновой кислоты и др.), добавкой молотого гранулированного шлака, извести, портландцемента.

Наряду с гипсовыми вяжущими общестроительного назначения выпускаются вяжущие для фарфорофаянсовой и керамической промышленности, к которым предъявляется ряд дополнительных требований: объемное расширение — не более 0,15%, примесей, нерастворимых в НСl, — не более 1%, водопоглощение — не менее 30%.

Гипсовые вяжущие применяют при производстве гипсовой штукатурки, перегородочных стеновых плит и панелей, вентиляционных коробов и других деталей в зданиях и сооружениях, работающих при относительной влажности воздуха не выше 65%. Изделия из них обладают небольшой плотностью, несгораемостью и рядом других ценных свойств, но при увлажнении прочность их снижается.

Для гипсовых строительных изделий всех видов рекомендуются марки Г-2…Г-7 всех сроков твердения и степеней помола; для тонкостенных строительных изделий и декоративных деталей может использоваться гипс тех же марок, но только тонкого и среднего помола, быстрого и нормального твердения. При штукатурных работах и заделке швов применяют маркиГ-2…Г-25 нормального и медленного твердения. Гипс марок Г-5…Г-25 нормального и медленного твердения.

Гипс марок Г-5…Г-25 тонкого помола с нормальными сроками твердения служит для изготовления форм и моделей в керамической, машиностроительной промышленности, а также в медицине.

◊ Ангидритовые вяжущие вещества

Ангидритовое вяжущее получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600…700°С с последующим его измельчением с добавками — катализаторами твердения (известью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоро сом, обожженным доломитом, основным доменным гранулиро ванным шлаком и др.). Ангидритовое вяжущее можно получить также путем помола природного ангидрита с указанными выше добавками.

Ангидритовое вяжущее было предложено П. П. Будниковым следующего состава: 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 купоросы 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 воде неустойчивого сложного гидрата, который затем распадается, образуя CaSO4·2H2O.
Ангидритовый цемент — это медленно схватывающееся вяжущее вещество с началом схватывания не ранее 30 мин, концом — не позднее 24 ч. Марки ангидритового цемента по прочности при сжатии М50, 100, 150 и 200.

Применяют ангидритовые цементы для приготовления кладочных и отделочных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий. Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс)является разновидностью ангидритовых цементов. Его получают 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 = СаО + SO3. При затворении водой СаО действует как катализатор по схеме твердения ангидритового цемента, рассмотренной выше.

Высокообжиговый гипс медленно схватывается и твердеет, но водостойкость и прочность при сжатии (10…20 МПа) позволяют успешно использовать его при устройстве мозаичных полов, изготовлении искусственного мрамора и др. Изделия из высокообжигового гипса мало-,тепло- и звукопроводны, они обладают по сравнению с изделиями из гипсового вяжущего более высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям.

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 650…850°С. В результате MgCO3 разлагается по схеме MgCO3 = = MgO + CO2. Оставшееся твердое вещество (окись магния) из мельчают в тонкий порошок.

Каустический доломит MgO и СаСО3 получают путем обжига природного доломита СаСО3·MgCO3 с последующим измельче нием его в тонкий порошок.При обжиге доломита СаСО3 не раз лагается и остается инертным как балласт, что снижает вяжу щую активность каустического доломита по сравнению с каусти ческим магнезитом.

Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния. Магнезиальные вяжущие, затворенные на растворе хлористого магния, дают большую прочность, чем на растворе сернокислого магния. Магнезиальные вяжущие, являясь воздушными, слабо сопротивляются действию воды. Их можно использовать только при затвердении на воздухе с относительной влажностью не более 60%.

Каустический магнезит легко поглощает влагу и углекислоту из воздуха, в результате чего образуются гидрат оксида магния и углекислый магний. В связи с этим каустический магнезит хранят в плотной герметической таре. На основе магнезиальных вяжущих в прошлом времени изготовляли ксилолит (смесь вяжущего с опилками), используемый для устройства полов, а также фибролит и другие теплоизоляционные материалы. В настоящее время применение магнезиальных вяжущих резко сократилось.

◊ Кислотоупорные цементы

 Кислотоупорные цементы состоят из смеси водного раствора силиката натрия( растворимого стекла), кислотоупорного наполнителя и добавки-ускорителя твердения.

◊ Воздушная строительная известь

Строительную воздушную известь получают из кальциево-магниевых карбонатных пород.

Гидравлические вяжущие вещества

◊ Гидравлическая известь

Гидравлическая известь -продукт умеренного обжига при температуре 900…1100°С мергелистых известняков, которые содержат 6…20% глинистых примесей.

◊ Портландцемент

Портландцемент-гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Производство портландцемента основывается в основном на двух методах : мокрый и сухой. При этом каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Технические характеристики портландцемента можно подразделить на две группы:1) минеральный и вещественный составы, тонкость помола определяющие строительно-технические свойства; 2) нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства.

Твердение портландцемента называется процесс происходящий при затворении портландцемента водой, во время которого образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние. Цементный камень является минеральным клеем, скрепляющий зерна заполнителя и должен обладать достаточной собственной прочностью и адгезией, то есть хорошо сцепляться с зернами заполнителя.

◊ Добавки для цементов

Добавки для цементов классифицируют по отношению к свойствам цемента и назначению (читай разновидности портландцемента). По этим показателям добавки делят на следующие группы:

1) компоненты вещественного состава (активные минеральные добавки), изменяющие наименование цементов и обладающие гидравлическими свойствами; 2) наполнители, улучшающие зерновой состав цемента и структуру цементного камня, не обладающие или частично обладающие гидравлическими свойствами; 3) технологические — интенсификаторы помола, регулирующие основные свойства цемента: сроки схватывания, твердение, прочность цемента, пористость цементного камня (воздухововлекающие), пластичность цементно-песчаного раствора и бетона (пластифицирующие добавки), водоудерживающую способность, уменьшающие смачивание водой поверхности частиц цемента (гидрофобизующие добавки); 4) регулирующие специальные свойства цемента: тепловыделение, объемные деформации, коррозионную стойкость, декоративные свойства и др.

◊ Шлаковые цементы

Шлаковые цементы являются разновидностью цементов с активными минеральными добавками, в которых последние представлены доменными гранулированными шлаками. Шлакопортландцемент это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое при совместном измельчении портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса или путем тщательного смешения раздельно измельченных тех же компонентов.

◊ Глиноземистый цемент

Цемент глиноземистый является быстротвердеющим и высокопрочным гидравлическим вяжущим веществом, которое содержит преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Глиноземистым цементом называют быстротвердеющее (но нормально схватывающееся) гидравлическое вяжущее вещество, получаемое при тонком измельчении обожженной до плавления (или спекания) сырьевой смеси бокситов и извести с преобладанием в готовом продукте низкоосновных алюминатов кальция.Однокальциевый алюминат CaO·Al2O3 определяетбыстрое твердение и другие свойства глиноземистого цемента.

◊ Расширяющийся цемент

К этой группе вяжущих относятся цементы, несколько увеличивающиеся в объеме при твердении во влажных условиях или не дающие усадки при твердении на воздухе. Водонепроницаемый расширяющийся цемент представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом или смешением в шаровой мельнице тонко измельченных глиноземистого цемента, гипса
и высокоосновного алюмината кальция.

Высокоосновный алюминат кальция (4СаО·Аl2О3) получают гидротермической обработкой в течение 5…6 ч при температуре 120…150°С смеси глиноземистого цемента с известью (1:1), затворенной 30% воды. Полученный продукт высушивают и измельчают. Начало схватывания цемента не ранее 4 мин, а конец — не позднее 10 мин.

Схватывание можно замедлить добавкой СДБ, уксусной кислоты и буры. Линейное расширение через 1 сут твердения цемента должно быть не менее 0,2% и не более 1%. Применяют водонепроницаемый расширяющий цемент при восстановлении разрушенных бетонных и железобетонных конструкций, для гидроизоляции туннелей, стволов шахт, в подземном и подводном строительствах, при создании водонепроницаемых швов.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент является быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного тонкого помола или смешения высокоглиноземистого клинкера или шлака и природного двуводного гипса. Применяют гипсоглиноземистый цемент для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов и бетонов, для зачеканки швов, гидроизоляции шахт.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким помолом портландцементного клинкера— 58…63%, глиноземистогошлака или клинкера — 5…7%, гипса — 7…10% и гранулированного доменного шлака или другой активной минеральной добавки—
23…28%. РПЦ быстро твердеет в условиях кратковременного пропаривания, обладает высокой плотностью и водонепроницаемостью во влажной среде в течение 3 сут твердения, способностью расширяться.

Напрягающий цемент (НЦ) при затворении водой сначала твердеет и набирает прочность, а в последующее время расши ряется и напрягает железобетон. Этот цемент получен В. В. Михайловым. Он состоит из 65…75% портландцемента, 13…20% глиноземистого цемента и 6… 10% гипса; его удельная поверхность не менее 3500 см2/г, начало схватывания не ранее 30 мин и конец — не позднее чем через 4 ч после затвердения.

НЦ быст ро твердеет, прочность при сжатии через 1 сут должна быть не менее 15 МПа, через 28 сут твердения — 50 МПа. Применяют самонапрягающий цемент для изготовления напорных труб, резервуаров для воды, хранения бензина, спортивных сооружений.