Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Билет № 1
1. Неорганическими называют тонкомолотые материалы, способные при смешивании с водой образовывать вязко-пластичную массу, которая постепенно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело. Для них характерны следующие признаки:
гидрофильность,способность образовывать с водой тестообразную легко формующуюся массу (тесто),пособность переходить из тестообразного состояния в твердое.
К ним относятся известь, гипс, цемент, предназначенные для изготовления строительных растворов и бетонов, а также изделий из них.
Неорганические вяжущие вещества разделяются на две группы: воздушные и гидравлические.
Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются.
К числу воздушных вяжущих веществ относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества, а также воздушная известь.
Поэтому эти вяжущие можно применять лишь в таких частях сооружений, которые не подвергаются действию воды. Воздушные вяжущие вещества по своему химическому и минералогическому составу - сравнительно простые вещества: они состоят, как правило, из одного соединения. Основой гипсовых вя-жущих является сернокислый кальций СаSO4 или СаSO4·0,5Н20; известковые вяжущие состоят главным образом из оксида кальция СаО и какого-то количества оксида магния МgО; магнезиальные вяжущие содержат оксид магния МgО; жидкое стекло - силикат на-трия Na2О·nSiO2 или калия К2О·nSiO2.
Воздушные вяжущие вещества применяются только в сухих условиях – в надземных сооружениях, не подвергающих-ся действию воды, например, внутри помещения .
Гидравлические вяжущие вещества отличаются тем, что после смешения с водой и предварительного твердения на воздухе способны в последующем твердеть как в воздушной, так и в водной|среде. Гидравлические вяжущие вещества применяют в производстве разнообразных изделий и конструкций, а также при возведении зданий и сооружений, предназначенных к эксплуатации в воздушной и в водной среде. В начальный период твердения необходимо, чтобы в среде, где находится вяжущее вещество, присутствовала влага. Иначе вяжущее быстро теряет большую часть воды затворения и течение химических реакций, благодаря которым формируется прочность материала, замедляется. В благоприятных условиях, когда влажность окружающей среды достаточна, гидравлические вяжущие со временем повышают прочность. Таким образом, по своим свойствам и области применения гидравлические вяжушие вещества более универсальны.
В группу гидравлических входят многие вяжущие вещества, которые в свою очередь с некоторой условностью можно разделить на несколько подгрупп.
В первую подгруппу включают чистые гидравлические вяжущие, не содержащие или содержащие не более 15% активных минеральных добавок.
В эту подгруппу входят:
а) портландцемент, а также пластифицированный,
гидрофобный, сульфатостойкий, белый портландцементы;
б) глиноземистый цемент;
в) романцемент;
г) гидравлическая известь.
Ко второй подгруппе относят смешанные гидравлические вяжущие, получаемые смешением чистых вяжущих, а также с активными или инертными минеральными добавками, вводимыми в количестве 10—15%.
Основными представителями этой подгруппы являются:а) на основе портландцемента — шлаковый портландцемент, пуццолановый портландцемент, цемент для строительных растворов и др.;
б) на основе воздушной и гидравлической извести —известково-пуццолановые цементы, известково-кварцевое вяжущее для бетонов автоклавного твердения, известково-белитовый (нефелиновый) цемент, известково-шлаковый цемент и др.;
в) на основе глиноземистого и портландского цементов, а также гипса — расширяющиеся и безусадочные цементы;
г) на основе гипса, портландцемента и активных минеральных добавок — гипсоцементнопуццолановые вяжущие и др.;
д) на основе доменных гранулированных шлаков и гипса — сульфатно-шлаковый цемент.
К третьей группе относится кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, представляющий собой тонкомолотую смесь кварцевого песка и кремнефтористо-го натрия, затворяемую водным раствором силиката натрия или калия.
Гидравлические вяжущие вещества широко используются в надземных, подземных, подводных и гидротехнических сооружениях.
Гидравлические вяжущие по своему составу - более сложные вещества. Они состоят главным образом из нескольких соедине-ний, содержащих оксиды СаО, SiO2, Al2O3, Fe2O3.
2. 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) измельчают в тонкий порошок.
• Каустический доломит MgO и СаСО3 получают путем обжига природного доломита CaCO3•MgCO3 с последующим измельчением его в тонкий порошок. При обжиге доломита СаСO3 не разлагается и остается инертным как балласт, что снижает вяжущую активность каустического доломита по сравнению с каустическим 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.
3. Седиментация- оседание мелких частиц какого-либо тела в жидкости или газе под действием гравитацинного поля или центробежных сил. Используют в промышленности для разделения порошков на фракции, выделения различных продуктов химической технологии, при изучении дисперсных систем и полимеров.
Билет № 2
1.Все определения свойств гипсовых вяжущих производятся по ГОСТ 23789—79.
Истинная плотность этих разновидностей колеблется в пределах 2,6—2,75 г/см3. Насыпная плотность в рыхлом состоянии обычно составляет 800—1100, в уплотненном—1250—1450 кг/м3.
По ГОСТ 125—79 дисперсность гипсовых вяжущих, зависящая от степени измельчения при помоле и влияющая на водопотребность материала, прочность и некоторые другие свойства, оценивается по остатку на сите с размерами ячеек, в свету 0,2 мм (в % по массе от просеиваемой пробы). При этом различают следующие виды: грубый помол (индекс I), остаток на сите не более 23%; средний помол (индекс II) — 14%; тонкий помол (индекс III) — 2 %.
Гипс с индексом III, а также гипс высшей категории качества должны характеризоваться по удельной поверхности порошка, устанавливаемой на приборе АДП-1 (ПСХ-2) в соответствии с ГОСТ 23789—79.
Водопотребность. Теоретически для гидратации полуводного гипса с образованием двуводного необходимо 18,6 % воды по массе вяжущего вещества. Практически же для получения теста стандартной консистенции по ГОСТ 23789—79 (нормальная густота) для (3-полугидра-та требуется 50—70 % воды, а для а-полугидрата — 35— 45 %• Стандартной консистенции соответствует расплыв массы до диаметра 180±5 мм.
Затвердевший гипс представляет собой твердое тело с высокой пористостью, достигающей 40—60 % и более. Естественно, что с увеличением количества воды затво-рения пористость гипсового изделия возрастает, а прочность уменьшается.
Водопотребность гипса увеличивается с повышением степени его измельчения. Вместе с тем измельчение его до удельной поверхности примерно 2500—3000 смгД даже при некотором увеличении водопотребности смеси приводит к повышению прочности гипсовых отливок, поэтому целесообразно измельчать гипс тоньше, чем это предусмотрено стандартом.
Водопотребность гипса значительно снижается при введении с водой затворения замедлителей схватывания (кератигювого, пзвестково-клеевого, замедлителя В. В. Помазкова, СДБ и ее концентратов, синтетических жирных кислот (СЖК), водорастворимого полимера (ВРП), буры и др.) в количестве до 0,1—0,3% массы вяжущего. С помощью этих веществ удается снизить нормальную густоту строительного гипса на 10—15%, что способствует увеличению прочности гипсовых изделий. Сроки схватывания гипса зависят от свойств сырья, технологии изготовления, длительности хранения, количества вводимой воды, температуры вяжущего вещества и воды, условий перемешивания, наличия добавок и др. Быстрее всех схватывается полуводный гипс, содержащий некоторое количество частичек неразложившегося двугидрата, являющихся центрами кристаллизации и вызывающих ускоренную гидратацию полуводного гипса. Схватывание гипса значительно ускоряется при за-творении его пониженным количеством воды по сравнению с тем, какое требуется для теста нормальной густоты, и наоборот.
Повышение температуры гипсового теста до 40—, 46 °С способствует ускорению его схватывания, а выше этого предела, наоборот, — замедлению. При температуре гипсовой массы 90—100°С схватывание и твердение прекращаются. Это объясняется тем, что при указанных и более высоких температурах растворимость полуводного гипса в воде становится меньше растворимости двугидрата. В результате прекращается переход полугидрата в двугидрат, а следовательно, и связанное с ним твердение. Схватывание замедляется, если гипс применяют в смеси с заполнителями — песком, шлаком, опилками и т. д.
Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в гипс при затворении вводят различные добавки.
Прочность гипсовых вяжущих определяют в соответствии с требованиями ГОСТ 23789—79. Для этих вяжущих применяется условное обозначение с учетом их марки по прочности, сроков схватывания и дисперсности, например Г-5АП -— гипс прочностью 5 МПа, быстротвердеющий (А), среднего помола (индекс II).
Вяжущие высшей категории качества должны характеризоваться маркой не ниже Г-5 и максимальным остатком на сите № 02 не более 12 % по массе просеиваемой пробы. Они отмечаются в документах Знаком качества. Гипсовые вяжущие отпускаются потребителям без упаковки или упакованными в мешки в соответствии с ГОСТ 2226—75 (с нзм.).
Для изготовления форм и моделей фарфорово-фаяи-совой, керамической и других отраслей промышленности гипсовые вяжущие выпускаются со сроками схватывания: начало схватывания не ранее 6 мин, конец — не позднее 30 мин (по ГОСТ 23789—79 — индекс Б — нор-мальнотвердеющий). Тонкость помола должна характеризоваться остатком на сите с ячейками размером в свету 0,2 мм не более 1 %. Кроме того, объемное расширение при твердении гипса должно быть не более 0,15 % и водопоглощение не менее 30 %. Вяжущие высшей категории качества для фарфорово-фаянсовой промышленности должны иметь марку не ниже Г-10. Эти вяжущие отпускаются только в мешках.
Свойства изготовленного полуводного гипса при хранении на складах изменяются. В частности, в течение первых двух—четырех недель наблюдаются уменьшение его водопотребиости и повышение прочностных показателей. Это объясняется образованием на поверхности частичек полуводного гипса под действием влаги воздуха пленок двугидрата. Пленки, защищая полугидрат от быстрого взаимодействия с водой, способствуют уменьшению водопотребиости материала и замедлению сроков схватывания. Однако длительное выдерживание гипса на складах приводит к значительной гидратации полугидрата, что вызывает увеличение водопотребиости, сокращение сроков схватывания и резкое падение прочности. Эти процессы «старения» полуводного гипса следует учитывать при хранении его на складах, особенно в периоды, характеризующиеся повышенной влажностью воздуха, а также в районах с влажным климатом.
Прочность затвердевшего гипса в большой мере зависит от того количества воды, которое было взято при его затворении (водогипсовое отношение). По данным А. Г. Панютина, уменьшение водогипсового отношения с 0,7 до 0,4 позволяет увеличить прочность изделий из строительного гипса в 2,5—3 раза.
Прочность полуводного гипса при осевом растяжении в 6—9 раз меньше прочности при сжатии. Изделия из а- и р-полугидрата, изготовленные при одинаковом водо-гипсовом отношении, имеют близкие значения прочности.
Прочность на сжатие затвердевшего гипсового вяжущего и изделий из него в большой степени зависит от их влажности. В частности, даже сорбционное увлажнение до 0,5—1 % сухого гипсового образца, находящегося в воздухе с относительным содержанием паров воды 80— 100 %, снижает его прочность до 60—70 % прочности в высушенном состоянии. Дальнейшее влагонасыщение образна до 10—15 % уменьшает прочность примерно до 50 %, а полное водонасыщение — до 35—40 % прочности в высушенном состоянии. Это относится к образцам, изготовленным с водогипсовым отношением 0,5—0,7. Прочность образцов, более плотных, полученных при пониженных водогипсовых отношениях, при увлажнении снижается несколько меньше. Высушивание гипсовых изделий приводит обычно почти к полному восстановлению первоначальной прочности.
Такое влияние воды на прочность затвердевшего гипса можно объяснить растворением двуводного гипса в местах контакта кристаллических сростков в его структуре, вызывающим уменьшение его прочности.
Зависимость прочности гипса и гипсовых изделий от влагосодержания является их существенным недостатком. Эта зависимость определяется так называемым коэффициентом размягчения. Последний представляет собой отношение показателей прочности водонасыщениых образцов к прочности образцов того же состава и возраста, высушенных до постоянной массы. Коэффициент размягчения колеблется в пределах 0,3—0,45 и зависит от свойств гипса и главным образом от средней плотности изделий. При применении жестких смесей, по данным Г. Д. Копелянского и С. С. Печуро, коэффициент размягчения повышается до 0,45—0,5.
Прочность изделий из полуводного гипса снижается в той или иной мере при введении в них заполнителей. При этом органические заполнители (опилки, костра, торф) вызывают более значительное снижение прочности, чем минеральные.
Деформативность. Полуводный гипс при схватывании и твердении в первоначальный период обладает способностью увеличиваться в объеме приблизительно на 0,5— 1 %• Такое увеличение объема еще не окончательно схватившейся гипсовой массы не имеет вредных последствий. Наоборот, в ряде случаев оно очень ценно (например, при изготовлении архитектурных деталей), так как при этом гипсовые отливки хорошо заполняют формы и точно передают их очертания.
Способность строительного гипса расширяться зависит от содержания в нем растворимого ангидрита. Установлено, что полугидрат расширяется при твердении на 0,5—0,15%, а растворимый ангидрит — на 0,7—0,8%. Поэтому гипс, обожженный при повышенных температурах и содержащий повышенное количество растворимого ангидрита, характеризуется большим расширением при твердении. Для уменьшения расширения в гипс при помоле вводят до 1 % негашеной извести, что снижает коэффициент расширения при твердении с 0,3 до 0,08— 0,1 %. Расширение гипса уменьшается с увеличением содержания в тесте воды, а также при введении в него замедлителей схватывания.
После первоначального расширения, как показывают опыты В. В. Помазкова, гипсовые изделия при последующем высыхании дают усадку в размере около 0,05— ОД % в результате уменьшения влажности с 5—10 до 1—2 %. Такая усадка при изготовлении крупноразмерных изделий сопровождается значительными напряжениями, что может вызвать уменьшение прочности и даже появление трещин. Для уменьшения усадки целесообразно применять гипс в смеси с минеральными заполнителями в виде гипсобетона.
Гипсовые вяжущие а- и |3-модификаций в затвердевшем состоянии, а также изделия из них проявляют большие пластические (остаточные) деформации, особенно при длительном действии изгибающих нагрузок (ползучесть). Эти деформации относительно невелики, если изделие полностью высушено. Однако увлажнение гипса до 0,5—1 %, а особенно до 5>—10 % и более вызывает значительное усиление необратимых пластических деформаций, которые с течением времени могут затухать лишь при небольших нагрузках, составляющих небольшую долго предела призмениой прочности изделия. Особенно резко проявляется ползучесть гипса под действием изгибающих нагрузок. Значительная подверженность затвердевшего гипса к деформациям ползучести в сильной степени ограничивает возможности его применения в конструкциях, работающих на изгиб.
Склонность изделий из полуводного гипса к большим пластическим деформациям под действием нагрузок объясняется скольжением кристаллов двуводного гипса в структуре затвердевшего изделия при его увлажнении, а также растворением двугидрата в местах контакта кристаллических сростков.
Ползучесть гипсовых изделий значительно уменьшается при введении в него портландцемента совместно с пуццолановыми (гидравлическими) добавками.
Долговечность. Изделия из в- и а-полуводиого гипса характеризуются большой долговечностью при службе их в воздушно-сухой среде. При длительном воздействии воды, особенно при низких температурах, когда изделия в водоиасыщенном состоянии систематически то замерзают, то оттаивают, они разрушаются.
Гипсовые изделия выдерживают обычно 15—20 и более циклов замораживания и оттаивания. О значительной долговечности гипсовых изделий при службе их в конструкциях жилых зданий свидетельствуют хорошо сохранившиеся наружные стены домов, построенных 40— 60 лет назад в Горьком, Уфе, Стерлитамаке, Куйбышеве, Свердловске, Гурьеве и других городах.
Водостойкость изделий можно несколько повысить: применением интенсивных способов уплотнения гипсобетонных смесей при формовании; введением в гипс и изделия из него небольшого количества синтетических смол, кремнийорганических соединений и др.; нанесением покровных пленок или пропитыванием изделий растворами синтетических смол, гидрофобными веществами, баритовым молоком и т. п. Наиболее же эффективным оказалось применение смешанных вяжущих, представляющих собой композиции из полуводного гипса, портландцемента или доменных гранулированных шлаков и пуццолановых добавок.
Гипсовые изделия огнестойки. Они прогреваются относительно медленно и разрушаются лишь после 6—8 ч нагрева, т. е. при такой продолжительности пожара, которая маловероятна. Поэтому гипсовые изделия часто рекомендуют в качестве огнезащитных покрытий.
Стальная арматура в гипсовых изделиях в условиях нейтральной среды (рН = 6,5...7,5), особенно при значимой их пористости, подвергается интенсивной коррозии. Коррозия предотвращается при покрытии стали обмазками: цементно-битумной, цемеитно-полистиролыюй и др. Более надежно предварительно подвергать сталь металлизации цинком или алюминием, а затем покрывать указанными обмазками.
Области применения. Гипсовые вяжущие применяют главным образом для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, элементов заполнения междуэтажных и чердачных перекрытий зданий, вентиляционных коробов и других деталей, используемых в конструкциях зданий и сооружений при относительной влажности воздуха не более 60%. Из гипса изготовляют разнообразные архитектурные, 'огнезащитные, звукопоглощающие и тому подобные изделия. Из р-гипса выполняют стеновые камни, панели и блоки, используемые при возведении наружных стен малоэтажных домов, а также зданий хозяйственного назначения. При этом необходимо защищать наружные гипсовые конструкции от увлажнения (устройство надежной гидроизоляции на фундаментах под стенами, увеличенных свесов кровли и т. п.).
а-полуводный гипс, изготовляемый по более сложной технологии, чем (3-полугидрат, с повышенными капиталовложениями и затратами энергоресурсов, должен использоваться при изготовлении таких изделий и конструкций, в которых его применение экономически оправдано. В частности, он является хорошим компонентом при изготовлении гнпсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ) высоких марок, пригодных для производства армированных сталью бетонных изделий и конструкций, не требующих термообработки для ускорения их твердения.
2. Способы приготовления сырьевой смеси
В зависимости от особенностей приготовления сырьевой смеси различают два способа производства портландцемента: мокрый и сухой. При м о к р о м способе производства тонкое измельчение сырьевой смеси производится в водной среде, вследствие чего сырьевая шихта получается в виде водной суспензии — шлама. При с у х о м способе сырьевая шихта приготовляется в виде смеси тонкоразмолотых сухих порошков, для чего перед тонким размолом или в процессе размола сырьевые материалы высушиваются. Различие способа приготовления приводит к существенным особенностям в процессе обжига, так как при обжиге шлама в печи необходимо дополнительно осуществить удаление из шлама воды — сушку сырья.
При сухом способе сырьевая смесь представляет смесь тонкодисперсных порошков, строго выдержать химический состав которой— дело сложное. Однако это заметно упрощается при мокром способе, позволяющем тщательно смешивать не порошки, а водные суспензии порошков, что легче осуществимо и более надежно. Следует учесть, что сырьевые материалы всегда непостоянны в своем составе.
В связи с этим при приготовлении шихты возникает необходимость усреднять сырьевые материалы, что также значительно надежнее и проще осуществляется при мокром способе производства. Наконец, при мокром способе производства сырьевая шихта — шлам перемещается с помощью гидротранспорта — самотеком или центробежными насосами, тогда как при сухом способе применяют пневмотранспорт, шнеки и элеваторы. Применение пневмотранспорта повышает загрязнение воздуха пылью в цехах и на территории завода и требует установки многочисленного оборудования для обеспыливания воздуха. Количество воды, которое необходимо удалить высушиванием при мокром способе, в два-три раза больше, чем при сухом. Последнее приводит к повышенному расходу топлива
Характеризуя в целом сухой и мокрый способы производства, можно отметить следующее: при мокром способе проще и надежнее осуществляется усреднение сырьевой смеси и ее корректирование до заданного состава. Размол сырья в водной среде позволяет затрачивать на эту операцию меньше энергии. Облегчается размол твердого кускового сырья. Кроме того, следует отметить, что сырье часто представляет мягкие породы (глины, мела), которые легко переходят в тонкодисперсное состояние путем размучивания в воде. Размучивание требует намного меньше энергии, чем размол сухого сырья. Гидротранспорт сырьевой смеси удобен, прост и надежен.
При сухом способе получение однородной смеси — процесс корректирования состава шихты значительно сложнее, чем при мокром, хотя современная техника усреднения порошков позволяет получать такую же по качеству сырьевую смесь, что и при мокром способе. Приготовление сырьевой смеси в виде смеси тонкодисперсных порошков приводит к усложнению технологических схем, увеличению количества оборудования. Сухой способ позволяет снизить расход тепла на получение клинкера.
Сравнивая технико-экономические показатели сухого и мокрого способов производства, следует рассматривать широкий комплекс показателей. Выбор способа производства определяется свойствами сырья, его однородностью и влажностью. При неоднородном и пестром сырье следует применять мокрый способ. Однозначно решается вопрос и в случае мягкого сырья — предпочтителен мокрый способ. Сухой способ производства рационально применять при однородном по составу сырье в случае, если влажность сырья не превышает 8 — 10%.
Комбинированный способ, как уже следует из названия, предполагает использование и сухого и мокрого способа. Комбинированный способ имеет две разновидности. Первая предполагает, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу в виде шлама, потом её обезвоживают на фильтрах до влажности 16 - 18% и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Второй вариант приготовления является прямо противоположным первому: сначала используют сухой способ для изготовления сырьевой смеси, а затем, добавляя 10 -14% воды, гранулируют, размер гранул составляет 10 - 15 мм и подают на обжиг.
3. Основные свойства пуццоланового портландцемента. Истинная плотность обычно колеблется в пределах 2,7—2,9 г/см3, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гидравлической добавки. Насыпная плотность пуццоланового портландцемента в рыхлонасыпном состоянии 800—1000, а в уплотненном—1200—1500 кг/м3. Зависит она от вида используемой минеральной добавки. Наименьшая насыпная плотность у цементов с мягкими добавками — диатомитом, трепелом и др. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец — не позднее 10 часов начала затворения. Сроки схватывания пуццолаиового портландцемента с увеличением тонкости его помола сокращаются. в пуццолановый портландцемент нужно добавлять больше воды (до 30—40%), причем он образует более вязкую смесь, чем обыкновенный цемент.
Билет №3
1. Органические вяжущие вещества представляют собой природ ные или искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при комнатной температуре) продукты, способные изменять свои физи ко-механические свойства в зависимости от температуры.
Органические вяжущие вещества разделяют на три основные группы: битумы природные и нефтяные; дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные; полимеры полимеризационные и поликонденсационные.
Битумы нефтяные. По химическому составу битумы — сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметал лических производных азота, кислорода и серы, полностью раство римые в сероуглероде. Элементарный состав битумов (% по мас се): углерода — 70...80, водорода—10...15, серы — 2...9, кислоро да— 1 ... 5 и азота 0...2. Для исследования битумов их разде ляют на основные группы углеводородов (близкие по свойствам) — масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды.
Масла — смесь циклических углеводородов (в основном нафте нового ряда) светло-жёлтой окраски с плотностью менее 1 и моле кулярной массой 300...500; повышенное содержание масел в биту мах придает им подвижность, текучесть. Количество масел в биту мах колеблется в пределах 45...60%.
Смолы — вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета с (плотностью около 1 и молекулярной массой до 1000. Смолы состоят в основном из кислородных гетероциклических соединений ней трального характера и придают битумам большую тягучесть и эластичность. Содержание смол в битумах находится в пределах 15...30 %.
Асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды)—твердые, неплавкие вещества с плотностью больше 1 и моле кулярной массой 1000...5000 и более. Повышенное со держание асфальтенов в определяет высокую вязкость и температурную устойчивость битума. Общее содержание составляет 5...30% и более.
Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко (1...2%) и способствуют повышению хруп кости битума.
Асфальтовые кислоты и их ангидриды — вещества коричнева того цвета смолистой консистенции с плотностью более 1. Они от носятся к группе полинафтеновых кислот и могут быть не только вязкими, но и твердыми. Асфальтогеновые кислоты являются по верхностно-активной частью битума и способствуют повышению сцепления его с поверхностью минеральных заполнителей. Содер жание их в нефтяных битумах составляет около 1 %.
Дегти. Дегтями называют продукт сухой (без доступа воздуха) перегонки твердых топлив — каменного угля, древесины, торфа, горючих сланцев и других органических веществ. В зависимости от исходного сырья может быть получен каменноугольный, древесный, торфяной или сланцевый деготь. Для строительных целей наибольшее применение получили каменноугольные дегти. В состав дегтей входят углеводороды ароматического ряда (производные бензола) их соединения с кислородом, азотом, серой и некоторыми другими элементами. Путем фракционной разгонки из дегтей можно выделить твердую составляющую часть — «свободный углерод» и жидкую, состоящую из масел: легких, кипящих до 170°С; средних, кипящих в интервале температур 170...270°С; тяжелых —270...300°С антраценовых —300... 360°С. После отгонки всех фракций до 0°С получают твердый остаток — пек, состоящий в основном из смолистых веществ — тонкодисперсных частиц и «свободного углерода». Эти группы углеводородов дегтя образуют сложную дисперсную систему типа суспензии, в которой «свободный углерод» и твердые смолы, ограниченно растворимые в дегтевых маслах, яв ляются дисперсной фазой, а масла— дисперсионной средой. При этом высокопластичные смолы, адсорбированные твердыми диспе рсными частицами, придают устойчивость всей системе в целом.
Для промышленности строительных материалов применяются дегти отогнанные, получающиеся после от бора из сырых дегтей летучих веществ, или составленные, изготов ляемые смешением горячего пека с антраценовым маслом или дру гими жидкими дегтевыми материалами. Наибольшее распростра нение имеют составленные дегти.
Составленные и отогнанные дегти характеризуются вязкостью (по стандартному вискозиметру) и фракционным составом. По сравнению с битумами дегти отличаются меньшей теплостойкостью и худшей погодоустойчивостью. Однако адгезия (прилипание) дег тей выше, чем у битумов, вследствие большего содержания полярных групп в молекулах масел дегтя.
Дорожные каменноугольные дегти и другие дегтевые материалы (пек, антраценовое масло) применяются для изготовления дегтебе тонов, а также для производства дегтевых кровельных и гидроизо ляционных материалов.
Легкие фракции дегтя, отгоняемые до 300°С, идут для получе ния бензола, толуола, ксилола, нафталина и других веществ. Ан траценовую фракцию (300...360°С) перерабатывают для получения сырого антрацена и антраценового масла. Дорожные дегти произ водятся шести марок от Д-1 до Д-6. Применять дегти в городах за прещено вследствие возможного содержания в них канцерогенных веществ (например, фенольной группы).
При совместном окислении битума и дегтя может быть получен вяжущий материал — гудрокам, отличающийся атмосферо- и био стойкостью. Гудрокам используют для получения гидроизоляцион ных материалов.
Сланцевые дегти получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. По химическо му составу и свойствам сланцевые дегти приближаются к битум ным материалам и используются обычно при тех же видах работ, как и нефтяные битумы.
Полимерами называют высокомо лекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного ко личества структурных звеньев, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромолекул.
По составу основной цепи макромолекул полимеры разделяют на три группы:
1. Карбоцепные полимеры — макромолекулярные цепи полимера состоят лишь из атомов углерода:
1 1 1 1
—С—С—С—С—
I I I I
2. Гетероцепные полимеры, в состав цепей которых входят кро ме атомов углерода еще атомы кислорода или серы, азота, фосфора и т. п.:
—С—О—С—О—С—
3. Элементоорганические полимеры, в основные цепи которых
могут входить атомы кремния, алюминия, титана и других элементов (кремнийорганические соединения типа
—Si—О—Si—,
имеющие кремний-кислородные, силоксановые связи).
Макромолекулы могут иметь линейное, разветвленное или сет чатое (трехмерное) строение, что определяет физико-механические и химические свойства полимеров.
Макромолекулы линейного строения вытянуты в виде цепей, в которых атомы мономера (низкомолекулярного соединения) связа ны химическими связями. Разветвленные макромолекулы харак терны наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (трехмерные) структуры макромолекул характеризуются тем, что образуются обычно «сшивкой» отдельных линейных или разветвленных цепей.
Полимеры с макромолекулами линейного или разветвленного строения плавятся при нагревании с изменением свойств и раство ряются в соответствующем органическом растворителе, а при ох лаждении они вновь затвердевают. Такие полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при ох лаждении, называют термопластичными (термопласты). Напротив, полимеры с макромолекулами трехмерного строения имеют повы шенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям, не растворяются в растворителях, а лишь набухают. Такие поли меры не могут обратимо размягчаться при повторном нагревании и носят название термореактивные полимеры (реактопласты).
Полимеры в твердом состоянии имеют обычно аморфную струк туру. Однако существуют полимеры с кристаллической или аморф но-кристаллической структурой. Аморфные термопластичные поли меры в зависимости от соотношений сил межмолекулярного взаимодействия и теплового движения макромолекул могут быть в стек лообразном, высокоэластичном и вязкотекучем пластичном состоя ниях.
В зависимости от метода получения полимеров их можно разде лить на полимеризационные, поликонденсационные и модифициро ванные природные полимеры.
Полимеризационные полимеры получают в процессе полимери зации мономеров вследствие раскрытия кратных связей ненасы щенных углеводородов и соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи. Поскольку при реакции полимеризации атомы и их группиров ки не отщепляются, побочные продук ты не образуются, а химический со став мономера и полимера одинаков.
Поликонденсационные полимеры получают в процессе реакции поли конденсации двух или нескольких низ комолекулярных веществ. При этой реакции наряду с основным продук том поликонденсации образуются по бочные соединения (вода, спирты и др.), а химический состав полимераотличается от химического состава исходных продуктов поликонденсации.
Модифицированные полимеры получают из природных высокомолеку- лярных веществ (целлюлоза, казеин, каучуки) путем их химической модификации, для изменения их первоначальных свойств в заданном направлении. Эти полимеры не находят широкого применения в строительстве вследствие их недостаточной водо- и атмосферостойкости.
Две первые группы полимеров вследствие практически неограни ченной сырьевой базы для их производства являются основным связующим для большинства полимерных материалов.
Для производства полимеров основным сырьем служат мономе ры, т. е. вещества, молекулы которых способны при определенных условиях соединяться друг с другом, образуя полимеры. Мономеры, в свою очередь, могут быть получены путем переработки природ ных и нефтяных газов, каменного угля, аммиака, углекислоты и других подобных веществ. Высокомолекулярные соединения ха рактеризуются не только структурой молекул, но и молекулярной массой полимера. К высокомолекулярным соединениям относятся обычно полимеры с молекулярной массой свыше 5000; полимеры с более низкой молекулярной массой называют олигомерами. По ме ре увеличения молекулярной массы полимера растворимость его ворганических растворителях снижается, несколько снижается эла стичность, однако прочность значительно возрастает.
|
2. |
Даже при самом благоприятном химическом составе ни быстроохлажденные остеклованные, ни тем более медлениоохлажденные закристаллизованные шлаки при обычных температурах (до 15—25°С) почти не проявляют активности вр взаимодействии с водой и, следовательно, не твердеют. Однако, как показывают исследования, в доменных шлаках как в кристаллической, так и в стекловидной фазе имеются составляющие, способные при раздельном или совместном воздействии иа них механических, химических и тепловых факторов к взаимодействию с водой и гидравлическому твердению, которое обусловлено образованием новых нерастворимых в воде веществ. Из минералов геленит 2CaO-Al203-Si02 практически инертный при обычных температурах, под воздействием добавки гидроксида кальция приобретает способность гидратироваться и давать при твердении в обычных условиях цементирующие новообразования в гелевидном состоянии типа гидрата геленита СгАБ-вНзО, а при тепловой обработке в автоклаве при 175—200°С и более — гидрогранаты типа СзА5]>2Н3>б в виде мелких кристаллов, видимых в оптический микроскоп. Окерманит 2CaO-MgO-2Si02 в нормальных условиях и в нейтральной среде неспособен к гидратации. Под воздействием же гидроксида кальция, особенно в условиях тепловой обработки в автоклаве при тех же температурах, он гидратируется с образованием гидросиликатов кальция— С—S—Н(П), по X. Тейлору, или C2SH2, по Р. Боггу, и магния Mg3S2H2. Минерал портландцементного клинкера p-2CaO-Si02 относительно медленно гидратируется при обычной температуре и дает новообразования в виде С—S—Н(1) и С—S—Н(И), по X. Тейлору, или CSH(B) и C2SH2, по Р. Воггу, обеспечивающие с течением времени достижение высокой прочности. 7"2CaO-Si02 в обычных условиях гидратируется весьма медленно и дает новообразования невысокой прочности. Повышение температуры до 140—150 °С и более ускоряет процесс гидратации -у-мо-дификации ортосиликата кальция и приводит к появлению в зависимости от концентрации Са(ОН)2 в растворе гидросиликатов кальция, по Р. Боггу, C2SH(A) и CSH(B), а в условиях автоклавной обработки—C2SH(С). Введение кремнеземистых добавок, в частности в виде молотого кварцевого песка, при гидратации Y-2CaO-Si02 в условиях автоклавной обработки приводит к снижению основности образующихся гидросиликатов и появлению гидросиликата С—S—Н(1), по X. Тейлору, CSH(B), по Г. Боггу, и. тоберморита .QSeHs. Ранкинит 3Ca0-2Si02 при очень тонком измельчении медленно гидролизуется и гидратируется в обычных условиях. При автоклавной обработке под давлением 1,5— 4 МПа (200—250°С) с добавками Са(ОН)2 ранкинит взаимодействует с ним, причем образуется C2SH(A), по Р. Боггу (C2S а-гидрат, по X. Тейлору). Для улучшения вяжущих свойств в условиях автоклавной обработки к ранкиниту целесообразно добавлять СаО вместе с молотым кварцевым песком. Это способствует образованию волокнистых гидросиликатов группы CSH(B) с повышенными вяжущими свойствами. Псевдоволластонит a-CaO-Si02 при обычных условиях не взаимодействует с водой и, следовательно, не обладает гидравлическими свойствами. При добавках к нему 10—15% Са(ОН)г он обнаруживает способность твердеть, особенно при тепловой обработке около 175 °С и более. Однако прочность получаемых образцов не превышает 2,5—5 МПа. Алюминаты кальция 5Са0-ЗА1203, СаО-А1203 и СаО-•2А1203 встречаются в шлаках в небольших количествах. Все они сравнительно легко гидратируются и при твердении в нормальных условиях приобретают высокую механическую прочность. Поэтому ценность шлака или золы тем выше, чем больше в них гидравлически активных фаз. При этом наличие определенного количества самостоятельно твердеющих фаз (C3S, алюмоферритов кальция, (3-C2S или основного шлакового стекла) обусловливает возможность использовать такие шлаки (с активизаторами твердения пли без них) для изготовления бетонов, твердею-1 щих в нормальных воздушно-влажных условиях. Если же этих фаз нет или они наблюдаются в небольших количествах, то необходимо вводить активизаторы твердения и применять тепловую обработку при 95—100 °С или даже при 175—200°С (в автоклавах). Введение в стекловидные шлаки небольших количеств щелочей и сульфатов как бы активизирует (возбуждает) их скрытые гидравлические свойства. В соответствии с видом вводимой добавки различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков. Обычно в качестве щелочных активизаторов применяют известь и портландцемент, выделяющий при взаимодействии с водой Са(ОН)г, а в качестве сульфатных — гипс в различных модификациях и ангидрит CaS04. При комбинированном возбуждении эти активизаторы вводят одновременно. Обобщение результатов ряда современных исследований в области коррозии стекол и условий образования гидросиликатов н гидроалюминатов кальция позволяет составить следующую схему щелочной активизации. Образование устойчивых силикатов (и алюминатов) при предельных концентрациях гидроксидов металлов сопровождается разрушением пленок гидратированного кремнезема. В результате обнажаются и становятся доступнее для воды более глубокие участки стекла. Это в свою очередь сопровождается дальнейшим его гидролизом и гидратацией. Значительная растворимость в воде глинозема, а также алюминатов кальция в этих условиях способствует их выносу в окружающий раствор и образованию в последнем пор и капилляров, обеспечивающих дальнейший интенсивный доступ воды, гидролизующей стекло. Введение небольших количеств щелочных активизаторов создает своеобразный толчок, нарушающий термодинамически неустойчивое равновесие шлакового стекла. Последнее в дальнейшем при взаимодействии с водой самопроизвольно перестраивается с образованием более устойчивых гидросиликатов, гидро-алюмосплнкатов и гидроалюминатов кальция, обусловливающих схватывание и твердение всей системы. Состав новообразований при этом зависит от состава самого стекла, количества активизаторов, концентрации в водном растворе гидроксильных ионов и температурного фактора. А. А. Новопашин считает, что повышенной интенсификации гидратации шлакового стекла способствует щелочная среда с рН, близким к 14. В этом случае особенно эффективно затворять нзвестково-шлаковые смеси водными растворами щелочей, создающих высокую концентрацию гидроксильных ионов. Последние, характеризуясь малым ионным радиусом (0,96-10~3 мкм), относительно легче проникают в структуру стекловидного шлака и способствуют его гидратации. Основные доменные шлаки содержат обычно 44— 48% оксида кальция, 35—38% кремнезема и 5—10% глинозема. Под действием вводимых в них 5—10 % извести или портландцемента они подвергаются щелочной активизации. Гидратация при обычных температурах таких шлаков (не говоря уже о кислых) может привести к образованию лишь низкоосновных волокнистых гидросиликатов кальция состава (0,8—1,35) CaO-Si02-2,5H20 [С—ST-H(I), ПО X. Тейлору, или CSH(B), по Р. Боггу], а также двухкальциевого гексагонального метастабиль-ного гидроалюмината 2Са0-А1203-8Н20 или, скорее, гидрогеленита 2CaO-Al203-Si02-8H20. Образованию последнего должно особенно благоприятствовать непосредственное взаимодействие кремнезема и глинозема, составляющих аморфную и кристаллитную части стекла во время полной перестройки его структуры при гидролизе. Обычно при таких условиях концентрация СаО в водном растворе не превышает 0,2—0,3 г/л, что обеспечивает, однако, устойчивость указанных соединений. Введение же в основные доменные шлаки значительных количеств извести (до 25—40 %) или портландцемента (50—65 %) вызывает образование гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с повышенной основностью. При нагревании указанных гидросиликатов типа CSH(B) до 100 °С образуется соединение с 1 молекулой, а при нагревании до 220 °С — с 0,5 молекулы гидратной воды. Нагревание до 450—550 °С приводит к полному обезвоживанию вещества. Потеря воды сопровождается значительной его усадкой. Сульфатная активизация шлаков отличается от щелочной тем, что сульфат кальция непосредственно взаимодействует с глиноземом, гидроксидом кальция и водой с образованием гидросульфоалюминатов кальция ЗСаО-.Al203-3CaS04-31HnO и 3CaO-Al203-CaS04- 12H20, способствующих наряду с другими новообразованиями твердению шлаковых цементов. Скрытая способность к гидравлическому твердению, проявляющаяся под влиянием небольших добавок активизаторов, отличает гранулированные доменные шлаки от кислых активных (гидравлических) добавок. Последние не обладают самостоятельными вяжущими свойствами. Цементирующие новообразования в них возникают только в результате прямого взаимодействия гидроксида кальция с активным кремнеземом и глиноземом добавок. Металлургические и топливные шлаки с пониженным содержанием СаО (20—30%) характеризуются промежуточными свойствами. Если в них вводить значительное количество извести, то они взаимодействуют с СаО как с кислой гидравлической добавкой, при небольших же добавках твердеют преимущественно за счет гидратации составляющих их компонентов. 3. Отверждение полимеров, процесс, при котором жидкие реакционноспособные полимеры низкой молекулярной массы (олигомеры) необратимо превращаются в твёрдые, нерастворимые и неплавкие трёхмерные полимеры. Термин "отверждение" используют обычно при переработке пластмасс, лаков, клеев, герметиков и компаундов. О. п. происходит с участием специальных реагентов (отвердителей) или в результате взаимодействия реакционноспособных групп олигомеров между собой под действием тепла, ультрафиолетового света или излучении высокой энергии. Механизм отверждения определяется природой реакционноспособных групп в олигомере, типом отвердителя и условиями процесса. О. п. может протекать по механизму поликонденсации (например, отверждение феноло-формальдегидных смол) или полимеризации (например, отверждение полиэфирных смол). В отдельных случаях в одном процессе могут сочетаться полимеризационный и поликонденсационный механизмы (например, отверждение эпоксидных смол ангидридами кислот в присутствии катализаторов — третичных аминов). |
Билет № 4
1. Романцементом называют продукт тонкого помола обожженных не до спекания чистых и доломитизированных мергелей, содержащих не менее 25% глинистых примесей. В романцемент для регулирования его свойств можно вводить до 5% гипса различных модификаций, а также до 15% активных минеральных добавок.
Сырьем для производства романцемента служат мергели — природная смесь углекислого кальция и глин. Наиболее желательны мергели с таким соотношением между известняковой и глинистой частями, при котором в процессе обжига не до спекания получается продукт, не содержащий свободной окиси кальция. В романцементе вся окись кальция должна быть связана в силикаты, алюминаты и ферриты кальция Этого обычно достигают при применении мергелей со сравнительно невысоким содержанием в них углекислого кальция, характеризующихся гидравлическим модулем, равным 1,1 — 1,7.
Романцементы с повышенными вяжущими свойствами получают из мергелей с пониженным содержанием углекислого магния (не более 5 — 8%).
Кроме химического состава сырья на качество романцемента, как и гидравлической извести, в значительной мере влияют структура мергелей, характер и равномерность распределения в них различных примесей, дисперсность кварцевых и других включений и т. п.
Свойства романцемента П л о т н о с т ь колеблется в пределах 2,6 — 3 г/смо Объемная масса в рыхлонасыпанном состоянии 800 — 1000 кг/м~, в уплотненном — 1000 — 1300 кг/м~.
Сроки схватывания зависят от содержания алюминатов кальция, тонкости помола и количества вводимого гипса. Для роман-цемента характерны сравнительно быстрое начало схватывания и .замедленный конец По СНиП 1-В.2.69 начало схватывания должно наступить не ранее 20 мин, а конец схватывания должен наступать не позднее 24 ч после затворения водой.
Равномерность изменения объема при твердении романпемента зависит главным образом от наличия в нем свободной окиси кальция и пережженных частиц окиси магния. Этот показатель определяют, выдерживая образцы-лепешки в парах кипящей воды, а также испытаиием их в автоклаве. Если лепешки через 7 сут предварительного выдерживания в воздушно-влажных условиях не растрескиваются, то романцемент будет равномерно изменяться в объеме.
П р о ч н о с т ь . По СНиП 1-В.2-69 романцемент выпускают четырех марок: 25, 50, 100 и 150 Марки романпемента определяют по значению предела прочности при сжатии образцов-кубов размером 7,07 Х 7,07 Х 7,07 см, изготовленных их жесткого раствора состава 1: 3 (по массе) и испытываемых через 28 сут комбинированного хранения (7 сут во влажной среде и 21 сут в воде)
Интенсивность твердения романцемента в большой степени зависит от температуры н влажности окружающей среды. В начальный период (7 сут) наиболее благоприятны для его твердения воздушно-влажные условия. Повышение температуры окружающей среды заметно ускоряет твердение, при пониженных же температурах (5 — 10' С) оно резко замедляется.
Активность романцемента заметно снижается при длительном его хранении на складе (более 2 — 3 мес).
Строительные растворы и бетоны на романцементе отличаются от полученных на гидравлической извести более высокой стойкостью при эксплуатации во влажных условиях и при попеременном увлажнении и высушивании. В сухих условиях их стойкость меньше стойкости растворов и бетонов на гидравлической извести.
Применяют романцемент для изготовления бетонов низких марок и растворов, используемых при возведении наземных и подземных частей зданий. Его используют также при штукатурных работах. Вследствие невысокой механической прочности романцемент не применяют для изготовления железобетонных конструкций, Он может быть использован также в производстве стеновых камней и мелких блоков, особенно с применением обработки паром.
2. Фенолформагельдегидные полимеры в тв состоянии хар-ся высокой поверхностной твердостью и представляют собой хрупкие стеклообразные массы.Хорошо совмещаются с наполнителями, Эти полимеры отличаются высокой адгезией к древесине,хлоку,бумаге, Фен плимеры обладают исключительно высокой хим стойкостью
Они исп для производства клеев,водостойкой фанеры,стекловатных матов,спиртовых лаках итд
3. Гипсовый камень добывают и доставляют с карьеров в кусках размером от 300 до 500 мм длиной, дробят в щековых и молотковых дробилках, после размалывают с одновременной сушкой в шахтных мельницах.
Источником теплоты для сушки в основном служат отработанные дымовые газы с температурой 100-500°С. Непрерывно поступая под ротор мельницы, они уносят с собой продукт помола в шахту над мельницей, где он подсушивается. При этом имеет место саморегулирование процесса — более крупные частицы выпадают из газового потока и снова поступают в мельницу, где подвергаются повторному измельчению, а мелкие частицы уносятся дымовыми газами в пылеулавливающие устройства.
Тонкомолотый гипс поступает для тепловой обработки в гипсоварочный котел. Широко распространено производство гипса в варочных котлах периодического действия большой емкости (12 — 15 м³). Гипсоварочный котел представляет собой цилиндр с вогнутым внутрь сферическим днищем, изготовленный из жароупорной стали и обмурованный кирпичной кладкой. Под котлом расположена топка, сводом которой служит днище котла. Внутри котла попарно друг над другом расположены четыре жаровые металлические трубы. Продукты сгорания топлива омывают днище котла, затем, проходя по кольцевым каналам, обогревают его боковые стенки. Далее газы попадают в жаровые трубы, нагревают их, а сами охлажденными удаляются через дымовую трубу. Это обеспечивает равномерный обогрев материала и полное использование теплоты дымовыми газами. Внутри котла расположено перемешивающее устройство — вертикальный вал с прикрепленными к нему верхней и нижней мешалками.
Продолжительность дегидратации гипсового камня в гипсоварочных котлах зависит от емкости котла, тонкости измельчения сырья и т.д. В среднем она колеблется от 50 мин до 2,5 ч. В первый период температура материала поднимается примерно до 120°С, а затем, несмотря на поступление теплоты, температура материала длительное время остается постоянной. Это соответствует периоду выделения из гипса кристаллизационной воды и превращения ее в пар — наблюдается бурное кипение материала, что требует значительных затрат теплоты. Постепенное повышение температуры в конце варки свидетельствует о том, что в массе порошка становится все меньше частиц двуводного гипса, и теплота начинает расходоваться не только на дегидратацию, но и на нагрев материала. Превышение температуры 120°С недопустимо, так как в этом случае начинают изменяться свойства гипсового вяжущего за счет развития процесса дегидратации, и это может привести ко второму кипению.
По окончании варки материал выгружают в бункер выдерживания для постепенного охлаждения и выравнивания состава, где он находится 20-30 мин. Выравнивание состава продукта снижает его водопотребность и обеспечивает более высокие прочностные свойства.
Тепловая обработка в котлах происходит при атмосферном давлении, вода удаляется в виде пара и сильно разрыхляет структуру, поэтому продукт состоит в основном из тонкодисперсной b-модификации полуводного гипса. Повысить содержание более качественного a-полугидрата можно введением в котел небольших количеств растворов солей, например, 0,1% NaCI. Раствор соли снижает упругость пара у поверхности зерен, что приводит к ускорению процесса варки и улучшению качества продукта. Схема гипсоварочного котла (рис.1):
Гипсоварочные котлы отличаются простотой обслуживания, удобством регулирования и контроля режима обжига. Обрабатываемый в них материал с пламенем и дымовыми газами не соприкасается, поэтому не загрязняется золой и сажей. К недостаткам этого агрегата следует отнести периодичность работы, быструю изнашиваемость его днища и обечаек котлов, а также сложность улавливания гипсовой пыли.
Из гипсоварочного котла материал выходит достаточно дисперсным, однако для улучшения его качества иногда используют его домол в шаровых мельницах.
Для обжига гипса во вращающихся печах используют печи длиной 8 — 14 м и диаметром 1,6 — 2,2 м. Загружают печи щебнем с размером зерен 10 — 20 мм и 20 — 35 мм. Длительность тепловой обработки — 1 — 2 ч. Выходящий из печи материал направляют в бункер томления или подвергают горячему помолу. Такая технологическая схема обеспечивает получение более дешевого и качественного гипса при меньших капитальных затратах, компактна, легко поддается автоматизации.
Билет №5
1. Гидравлическое вяжущее.
Гидравлическое вяжущее - вяжущее вещество, которое после смешения с водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжает сохранять и наращивать свою прочность в воде. Гидравлические вяжущие применяют в надземных и в подземных гидротехнических и других сооружениях.
Гидравлическими вяжущими являются: известь гидравлическая, романцемент, портландцемент и др. материалы.
Гидравлические свойства этой группы вяжущих обусловлены наличием е их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция. Чем больше в вяжущем таких соединений и чем они более основны, тем сильнее выражены гидравлические свойства и выше прочность вяжущего.
Для воздушной извести этот модуль больше 9, для гидравлической—1,7...9, а для романцемента—1,1...1,7. Однако если температуру обжига сырьевой смеси с гп0^ ^2 довести до 1450°С, то образуются более высокоосновные силикаты кальция и другие соединения, обладающие большой прочностью и гидравличностыо. В результате получают новое вяжущее — портландцемент, обладающий высокой прочностью.
2.Катя 8 не понятка?
3. Это часть очаговых остатков, организованно удаляемых из топки, называют шлаком. Шлак - расплав (после затвердевания — стекловидная масса) в металлургических, плавильных процессах, покрывающий поверхность жидкого металла, состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами. А. А. Байков уже в то время пришел к выводу о сходстве природы портландцемента и основного доменного шлака, обладающего самостоятельными гидравлическими вяжущими свойствами. А. А. Байков условно рассматривал портландцемент как шлак высокой степени основности, а основной шлак — как портландцемент с очень низким гидромодулем. Это представление было положено Байковым в основу предлагаемых им методов испытания и нормирования шлакопортландцемента.
Билет №6
1. Шлаковые цементы являются разновидностью цементов с активными минеральными добавками, в которых последние представлены доменными гранулированными шлаками. Способность этих шлаков к самостоятельному водному твердению позволяет получать шлаковый цемент по качеству выше, чем пуццолановый (с другими видами активных минеральных добавок).
Утилизация доменных шлаков для получения цемента — это один из примеров рационального и притом массового применения отходов производства.
• Шлакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое при совместном измельчении портландце-ментного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса или путем тщательного смешения раздельно измельченных тех же компонентов. При совместном измельчении клинкера, шлака и гипса качество шлакопортландцемента несколько выше, так как при раздельном измельчении и последующем смешивании исходных материалов не удается получить продукт такой же однородности, как в первом случае. Содержание доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять свыше 20% и не более 80% от массы готового продукта. Допускается часть шлака в количестве не более 10% заменять природными гидравлическими добавками (трепелом, диатомитом и др.).
• Быстротвердеющий шлакопортландцемент в отличие от щда. копортландцемента характеризуется более интенсивным нараста. нием прочности в начальный период. Для получения быстро. твердеющего шлакопортландцемента применяют клинкер быстро. твердеющего цемента и доменные шлаки высокой активности Твердение шлакопортландцемента может быть разделено на два процесса: первичный — гидратация и твердение клинкерной части цемента; вторичный — химическое воздействие продуктов гидратации клинкерной части с доменными гранулированными шлаками. При гидратации трехкальциевого силиката клинкера происходит выделение гидрата оксида кальция, взаимодействующего с глиноземом и кремнеземом шлака, и образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. По сравнению с портландцементом шлакопортландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, но марочная и последующие прочности его примерно одинаковы. С понижением температуры прирост прочности шлакопортландцемента сильно снижается. Повышенная температура при достаточной влажности среды оказывает на твердение шлакопортландцемента более благоприятное влияние, чем на портландцемент.
По пределу прочности при сжатии и изгибе шлакопортландцемент делят на три марки: 300, 400 и 500. Быстротвердеющий шлакопортландцемент М400 должен иметь в трехсуточном возрасте предел прочности при сжатии не менее 20 МПа и на изгиб не менее 3,5 МПа.
Водостойкость бетонов на шлакопортландцементе выше, чем на портландцементе, из-за отсутствия свободного гидрата оксида кальция. В шлакопортландцементном бетоне она связана шлаком в труднорастворимые гидроалюминаты и низкооснбвные гидросиликаты кальция, тогда как в портландцементном бетоне гидрат оксида кальция в значительном количестве содержится в свободном виде и может вымываться, ослабляя бетон. Шлако-портландцементный бетон обладает удовлетворительной морозо-и воздухостойкостью. Однако он все же менее стоек, чем бетон на портландцементе.
Применяют шлакопортландцемент в гидротехнических сооружениях, а также в конструкциях, находящихся в условиях влажной среды. Не следует использовать этот цемент в конструкциях, подвергающихся частому замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.
2. БИТУМ РАЗЖИЖЕННЫЙ-битум, растворённый в разжижителях, напр., в нефти, мазуте, крекинг – остатках
Жидкий битум при комн. Тем-ре имеют незначительную вязкость,т.е. жидкую консистенцию, и прим-ся в строит-ве в холодном или слегка подогретом состоянии.Важнейшими хар-ками явл-ся их вязкость,фракц.состав и тем-ра вспышки. изготавливается на основе вязкого битума путем добавления к нему растворителей
3. Поликонденсация – это процесс получения полимеров, при котором наряду с образованием полимера происходит выделение того или иного низкомолекулярного продукта (воды, соляной кислоты, углекислоты и др.).
В результате реакции поликонденсации образуются следующие полимеры с различными свойствами: фенолоформальдегидные, полиэфирные, карбамидные, эпоксидные, кремнийорганические и др. смолы
Фенолформагельдегидные полимеры получают путем поликонденсации фенола с формальдегидом
Полиэфирные полимеры получают поликонденсацией многоатомных спиртов с многоосновными кислотами.
Карбамидные полимеры получают путем амидоформальдегидной по-ликонденсации.
Эпоксидные полимеры представляют собой продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолом в щелочной среде
Билет №7
1. Битумы- твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях.Битумы могут быть природными и искусственными.Прир.-образовались из нефти в верхних слоях земной коры или в виде поверхностных озер.Искусст.-получают из нефти путем переработки остатков,образующихся в рез-те перегонки нефти.Осн.св-вами битумов явл-ся вязкость,пластичность и растяжимость,тем-ры размягчения и хрупкости;для жидких битумов-вязкость и фракц-ый состав,также высокая адгезия(спос-ть сцеплять в монолит мин. Зерна запол-лей).Вязкость-сопротивление внутр.слоев битума перемещению относ-но друг друга.Пласт-ть-важное св-во битума,повыш-ся с увел-ем содер. масел,длит-ти действия нагрузки и пов-ния тем-ры.
2. По данным Р. Хедина, при гидратации клинкерных минералов и их смесей образуются вещества со структурой частичек следующих пяти основных типов: призматические или игольчатые кристаллы; гексагональные пластинки; кристаллы, образующие гранулы; деформированные пластинки, таблетки или чешуйки; аморфные массы.
В свою очередь, первый тип включает три группы призматических и игольчатых кристаллов. Так, QjSHU, образующийся при гидратации силиката кальция в концентрированных растворах гидроксида кальция, имеет форму мелких иглообразных кристаллов. Иглы ветвятся, образуя дендритообразную структуру и создавая постепенно плотную оболочку вокруг исходных частичек вяжущего. С утолщением оболочек частички объединяются в непрерывную высокопрочную структуру. Таким образом, C2SHn способствует достижению высокой прочности твердеющей системы.
Представителем второй группы призматических кристаллов первого типа является эттриигит, образующийся из алюминатов кальция при высоких концентрациях в окружающей водной среде гидроксида кальция и гипса. При большом содержании в растворе алюминатов он возникает в виде коротких игл, не склонных к образованию дендритных структур и плотных оболочек вокруг зерен. Поэтому образование эттрингита не приводит к упрочнению системы. В случае медленной кристаллизации эттрингита из слабоконцентрированных растворов образуются длинные призматические кристаллы, растущие от поверхности частиц вяжущих, создавая между ними перемычки и отталкивая их друг от друга. Это приводит к разрыхлению и разрушению структуры.
В качестве представителя третьей группы первого типа может явиться десятиводный одиокальциевый алюминат СаО • А1203 • 10Н2О — основной минерал глиноземистого цемента. Кристаллы САНю, образующиеся при взаимодействии СА с водой, дают ветвящиеся дендриты и объединяются в устойчивые структуры вокруг частичек цемента, что приводит к хорошей связи между ними и высокой прочности, в частности, глиноземистого цемента.
Ко второму типу относятся гексагональные пластинки, возникающие при гидратации большинства гидроалюминатов и гидроферритов кальция, а также при образовании моносульфоалюмината и гидроксида кальция. Частички этих гидратов могут существенно различаться по размерам и внешнему виду. Они часто возникают в виде отдельных кристаллов и, не обладая взаимной когезией, не оказывают существенного влияния на прочность; В некоторых случаях пластинки могут сливаться по базальным поверхностям, образуя плотные массы и способствуя значительному увеличению прочности твердеющей системы.
Третий тип —кристаллы, образующие зерна,—в. частности, гидраты кубической формы Сз(А, F)H6. Отдельные скопления частичек этих гидратов не срастаются друг с другом и не увеличивают прочность.
К четвертому типу веществ, образующих деформированные пластинки, диски или чешуйки, можно отнести низкоосновный гидросиликат кальция. Его пластинки при гидратации вяжущего постепенно заполняют пространство можду частичками последнего, что способствует развитию прочности, особенно в условиях автоклавного твердения.
Пятый тип гидратов, образующихся в виде гелевид-ных масс: А1(ОН)3 и Fe(OH)3. Прочность их низкая, но полностью заполняя промежутки в твердеющей системе, они повышают ее прочность.
В целом же развитие структур высокой прочности обеспечивается теми ги-дратными новообразованиями, частички которых кристаллизуются в формах, имеющих тенденцию к образованию прочных связей с соседними частицами и, следовательно, к образованию непрерывной структуры в твердеющей системе.
3. Жидкое стекло и кислотоупорный цемент
Жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия Na2O*mSiO2 или калия K2O*mSiO2. Величина m указывает отношение числа молекул кремнезёма SiO2 к числу молекул щелочного оксида и называется силикатным модулем жидкого стекла. Для натриевого стекла m = 2,5...3,0; для калиевого - 3...4.
В практике чаще используют силикат натрия. Получают его расплавлением смеси размолотых кварцевого песка и соды в стеклоплавильных печах при t0 =1350–14000С, при этом образуется силикат-глыба. Жидкое стекло как вяжущее получают обработкой дробленной силикат-глыбы паром в автоклавах при давлении 0,6–0,7 МПа.
Жидкое стекло твердеет на воздухе под действием СО2:
Na2O*mSiO2 + CO2 + nH2O = Na2CO3 + mSiO2*nH2O
Однако этот процесс протекает медленно. Для ускорения твердения вводят добавки кремнефтористого натрия (Na2SiF6), ускоряющие выпадения геля кремневой кислоты и гидролиз жидкого стекла (при этом также повышается его водо- и кислотостойкость).
Натриевое стекло применяется для изготовления кислото- и жароупорных бетонов, для уплотнения грунтов (силикатизация). Калиевое (более дорогое) применяется преимущественно в силикатных красках.
Кислотоупорный цемент – это порошкообразный материал, получаемый путем совместного помола кварцевого песка и кремнефтористого натрия (Na2SiF6). Кислотоупорный цемент затворяют водным раствором жидкого стекла, которое и является вяжущим веществом (сам порошок вяжущими свойствами не обладает).
Применение – для изготовления кислотоупорных растворов и бетонов, специальных замазок. Прочность Rсж кислотоупорных бетонов достигает 50–60 МПа. Будучи стойким в кислотах (кроме фтористо-водородной, кремнефтористо-водородной и фосфорной), кислотоупорный бетон теряет прочность в воде, а в едких щелочах разрушается.
Из кислотоупорных бетонов изготовляют резервуары, ванны и др. сооружения на химических заводах. Кислотоупорные растворы применяют при футеровке кислотоупорными плитками (керамическими, стеклянными, диабазовыми) железобетонных, бетонных и кирпичных конструкций на предприятиях химической промышленности.
Билет № 8
1. Гидравлическую известь разделяют на слабо- и сильногидравлическую. В первой содержание активных оксидов кальция и магния 40—65%, во второй — 5—40%. Основной характеристикой сырьевых материалов для получения гидравлической извести является гидравлический модуль — отношение процентного содержания оксида кальция к суммарному содержанию оксидов алюминия, кремния и железа. Для слабогидравлической извести он равен 9-4,5, сильногидравлической 4,5—1,7. Слабогидравлическая известь при взаимодействии с водой интенсивно гасится и рассыпается в порошок, сильногидравлическая гасится медленно или не гасится совсем. Начало схватывания гидравлической извести происходит через 0,5—2 ч, конец — от 2 до 16 ч, причем с повышением содержания свободного оксида кальция схватывание ускоряется.
Предел прочности при сжатии образцов из известково-песчаных растворов состава 1:3 (одна часть извести по массе, три части нормального Вольского песка) через 28 сут для слабогидравлической извести должен быть не менее 1,7 МПа, сильногидравлической — 5 МПа. Гидравлическая известь применяется для изготовления строительных растворов, используемых для кладки и штукатурки как в сухой, так и во влажной среде. Растворы на ее основе более прочные, чем на воздушной извести, но менее пластичные. Гидравлическую известь можно применять также для производства известесодержащих смешанных вяжущих, легких и тяжелых бетонов низких марок.
2. Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. Портландцемент представляет собой порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, состоящее главным образом из силикатов кальция. Получают портландцемент тонким измельчением клинкера с гипсом (3 ... 7 %), допускается введение в смесь активных минеральных добавок (10 ... 15 %). Клинкер - продукт обжига (до полного спекания) искусственной сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75 % карбоната кальция (обычно известняка) и 25 % глины. Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера.
Химический состав портландцемента. Портландцемент характеризуется довольно постоянным химическим составом. Содержание основных составляющих окислов в нем колеблется в сравнительно небольших пределах, %: СаО (64 ... 67), SiО2 (19 ... 24), Аl2О3 (4 ... 7), Fе2О3 (2 ... 6), MgO (не более 5), SО3 (не менее 1,5 и не более З,5).
Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы - мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75 ... 78 %) и глинистых пород (25 ... 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых - глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс.
Гипс необходим для регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гипса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.
Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.).
По вещественному составу различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент. В портландцемент с минеральными добавками разрешается вводить гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки в количестве до 20% массы вяжущего, активные добавки осадочного происхождения не более 10%. другие активные добавки допускается вводить до 15% массы получаемого цемента. Шлакопортландцемент должен содержать доменные или электротермофосфорные шлаки не менее 21 и не более 60% массы вяжущего.
Свойства портландцемента определяются, прежде всего качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для их регулирования.
Портландцемент и его разновидности являются основным материалом в современном строительстве. Он позволяет возводить бетонные и железобетонные конструкции самых, разнообразных зданий и сооружений. Жилищно-гражданское, промышленное., сельскохозяйственное, гидротехническое, горное, дорожное,
Наряду с обыкновенным портландцементом выпускают большое количество его разновидностей: быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, белый и цветной шлакопортландцемент . Эти цементы более дорогие и рекомендуются толь ко в тех случаях, когда их специальные свойства могут быть использованы с максимальной эффективностью.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в первые трое суток твердения. Более быстрое твердение цемента достигается за счет содержания в клинкере активных минералов (C3S + С3А = 60...65%), а также за счет повышения тонкости помола клинкера до удельной поверхности 3500...4000 см2/г. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15% по массе цемента) или доменных гранулированных шлаков (до 20%).
Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают помолом портландцементного клинкера вместе с гипсом и пластифицирующими добавками в виде концентрата сульфитно-спиртовой барды (ССБ) кальциевой или лигносульфоновой кислоты (ЛСТ) и других добавок в количестве 0,15...0,25% по массе цемента. Марки этого цемента — 400 и 500. Пластифицированный портландцемент придает растворным и бетонным смесям повышенную подвижность по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды.
Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают путем введения при измельчении клинкера 0,1...0,3% мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот и других гидрофобизирующих добавок. Осаждаясь на частицах цемента, эти вещества создают водонесмачиваемость оболочки, чем снижают его гигроскопичность. Поэтому гидрофобный цемент при длительном хранении даже во влажных условиях не портится, не комкуется, сохраняет свою активность.
Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) получают тонким помолом клинкера следующего минералогического состава: C3S — не более 50%, С3А — не более 5, С3А + C4AF — не более 22, MgO — 5%. Введение в цемент инертных и активных минеральных добавок не допускается. При таком составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросульфо-алюмината кальция — цементной бациллы. Выпускают СПЦ марки 400.
Белый портландцемент (БПЦ) — твердеющее на воздухе и в воде вяжущее вещество, получаемое измельчением белого маложелезистого клинкера, минеральных добавок и гипса. Выпускают БПЦ марок 400 и 500. По степени белизны белый портландцемент подразделяют на три сорта с коэффициентом отражения не менее 80, 75 и 68 % соответственно.
Цветной портландцемент (ЦПЦ) — твердеющее на воздухе и в воде вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения белого или цветного клинкера (не менее 80%), минеральных (не более 15%) и органических красителей, гипса и активной минеральной добавки (не более 6%). Органические пигменты вводят в количестве не более 0,5% от массы цемента. Выпускают ЦПЦ марок 300, 400, 500 желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цвета.
Шлакопортландцемент получают тонким измельчением портландцементного клинкера (79...20%), природного гипса (до 5 %) и доменного гранулированного (быстроохлажденного) шлака (21...60%).
Доменные шлаки — массовые побочные продукты при выплавке чугуна; их химический состав близок составу клинкера; электротермофосфатпые шлаки применяют наравне с доменными, так как их химический состав почти одинаков.
Самостоятельно шлаки не твердеют, но в присутствии портландцемента и гипса они проявляют вяжущие свойства.
По сравнению с портландцементом шлакопортландцемент более стоек в мягких и минерализованных водах, более жаростоек, интенсивно твердеет при тепловой и влажностной обработке, но медленно схватывается и твердеет при пониженных температурах, менее морозостоек.
Марки шлакопортландцемента: 300, 400 и 500.
Шлакопортландцемснт экономически выгоднее портландцемента.
Кроме обычного выпускают также быстротвердеющий и сульфатостойкий шлакопортлапдцементы.
Шлакопортландцемент применяют для бетонных и железобетонных надземных, подземных и подводных конструкций, для сборных конструкций с использованием тепловлажностной обработки, для приготовления кладочных и штукатурных растворов.
Недопустимо применять цемент для бетона и раствора, от которых требуется повышенная морозостойкость, для работ при пониженных температурах без искусственного обогрева, а также в сухую и жаркую погоду без соблюдения влажностного режима твердения.
3. Строительные битумы выпускают трех марок: БН 50/50, БН 70/30 и БН 90/10 битум нефтяной кровельный БНК-45/180 — пропиточный битум, БНК-90/40 и БНК-90/30 — покровные битумы. Цифры показывают: числитель — среднее значение температуры размягчения,°С, знаменатель — среднее значение глубины проникания иглы. Нефтяные дорожные битумы, применяемые в качестве вяжущего при строительстве дорожных и аэродромных покрытий, выпускают пяти марок: битум нефтяной дорожный БНД-200/300, БНД-130/200, БНД-90/130, БНД-60/90, БНД-40/60.
Наиболее широко битумы используют при строительстве дорог (асфальтобетонные покрытия), устройстве гидроизоляции и рулонных кровель. При отделочных работах битумы используют как вяжущее в холодных и горячих клеящих мастиках.
деготь и материалы на его основе применяют не только для гидроизоляции, но и для защиты от гниения.
В чистом виде дегти применяют главным образом для антисептических пропиток (например, шпал, столбов) и в дорожном строительстве.
Билет № 9
1. Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, для получения которых используют сырье, содержащее сернокислый кальций. Чаще это природные гипс CaSО4·2H2O и ангидрит CaSO4, реже - некоторые побочные продукты химической промышленности (фосфо-гипс, борогипс).Гипсовым вяжущим материалом называют минеральный порошок белого цвета, состоящий в основном из двухводного сернокислого кальция, реже – из сульфата кальция.
Основным сырьем для гипсовых вяжущих является осадочная горная порода – двухводный сернокислый кальций (гипс) СаSO4•2H2O и реже – безводный сульфат кальция CaSO4 (ангидрит). Для получения гипсовых вяжущих материалов гипсовый камень подвергают тепловой обработке и измельчению. В зависимости от температуры, условий нагрева и степени измельчения различают: строительный, формовочный и высокопрочный гипс, а также ангидритовый цемент. В процессе нагревания двухводный гипс претерпевает изменения. Так, при температуре 650С он начинает утрачивать кристаллизационную воду, а при температуре 100-140°С превращаться в полуводный СаSO4•2H2O=СаSO4•0,5H2O+1,5Н2О. Полуводный гипс может быть в двух модификациях: ?-полугидрат образующийся при нагревании гипсового камня в герметически закрытых аппаратах и кристаллизующийся в крупные кристаллы в виде длинных игл или призм, и ?-полугидрат, образующийся при нагревании гипсового камня в герметически закрытых аппаратах и кристаллизирующийся в крупные кристаллы в виде длинных игл иди призм, и ?-полугидрат, образующийся при нагревании гипсового камня в открытых печах с образованием мелких кристаллов со слабо выраженными гранями.
При дальнейшем повышении температуры до 200-400°С полуводный гипс становится безводным и переходит в нерастворимый ангидрит (например, обоженный гипс). Повышение температуры до 750-800°С приводит к образованию ангидрита, который в порошкообразном состоянии при затворении водой очень медленно схватывается. В интервале 750-1000°С ангидрит начинает диссоциировать, выделяя свободную окись кальция СаО по реакции СаSO4?СаО+SO3, которая способствует твердению порошкообразного ангидрита. Следует иметь в виду, что чем выше температура, тем больше выделяется свободной окиси кальция. Полученный продукт в порошкообразном состоянии-после затворения водой охватывается и медленно твердеет.
Стандартом на гипсовые вяжущие установлено 12 марок (МПа): Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25. При этом минимальный предел прочности при изгибе для каждой марки вяжущего должен соответствовать значению соответственно от 1,2 до 8 МПа.
Гипсовые вяжущие применяют для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, архитектурных, звукопоглощающих и других изделий, а также строительных растворов для внутренних частей зданий.
Строительный гипс применяется для производства перегородочных плит и панелей, обшивочных листов (сухая штукатурка), архитектурных изделий, стеновых камней, для известково-гипсовых растворов, ячеистых изделий.
Ангидритовыми вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, состоящие из природного или полученного обжигом ангидрита и активизаторов твердения. Различают собственно ангидритовое вяжущее (цемент) и высокообжиговый гипс (эстрих-гипс). Ангидритовые вяжущие получают обжигом при температуре 600-950 °С двуводного гипса CaSO4 x 2H2O или ангидрита CaSO4. Их можно изготавливать безобжиговым способом — помолом природного ангидрита с активизаторами твердения.
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 купоросом, обожженным доломитом, основным доменным гранулированным шлаком и др.). Активизируют его твердение сульфаты N2SO4, K2SO4, NaHS04, Al2(SO4)3, материалы со щелочной реакцией — известь, основной доменный гранулированный шлак. Они вводятся при помоле от 1 до 8%.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 Са804-2НгО.
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. Применяют ангидритовый цемент для штукатурных и кладочных растворов, устройства полов и для изготовления искусственного мрамора., архитектурно-строительных изделий.
Гипсовые и ангидритовые вяжущие получают из природного сырья и отходов химической промышленности.
2. В настоящее время применяют два основных способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: «мокрый», при котором помол и смешение сырья осуществляются в водной среде, и «сухой», когда материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде.
1) При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают и сырьевую смесь смешивают с водой. Получаемая сметанообразная масса - сырьевой шлам – содержит 32…45% воды. В качестве сырьевых материалов для производства цементного клинкера часто используют мягкий глинистый и твердый известняковый компоненты. Начальная технологическая операция получения клинкера – измельчение сырьевых материалов. При использовании в качестве известкового компонент мела его размельчают в болтушках или в мельнице самоизмельчения. Если применяют твердый известняк, то его дробят в одну-две стадии в щековых дробилках. Глиняный шлам, полученный в болтушках или других агрегатах, направляют в сырьевую мельницу, куда подается для измельчения и известняк. В мельницу известняк и глиняный шлам подают в определенном соотношении, соответствующем требуемому химическому составу клинкера. Чтобы получить сырьевой шлам заданного химического состава, его корректируют в бассейнах или потоке. Выходящий из мельниц сырьевой шлам в виде сметанообразной массы насосами подают в расходный бачок в печной цех на обжиг. Из бачка шлам равномерно сливается во вращающуюся печь. При мокром способе производства для обжига клинкера используют длинные вращающиеся печи со встроенными теплообменными устройствами. Из печи клинкер поступает в холодильник, где охлаждается холодным воздухом. Охлажденный клинкер отправляют на склад. В некоторых случаях клинкер из холодильников направляют непосредственно на помол в цементные мельницы. Перед помолом клинкер дробят. Помол клинкера производится совместно сгипсом и другими добавками. Из мельниц цемент транспортируют на склад силосного типа (цементные силосы). Отгружают цемент потребителю либо в таре (бумажных мешках по 50 кг), либо навалом в цементовозах или в специальных железнодорожных вагонах.
Производство портландцемента по сухому способу отличается от мокрого способа методом получения клинкера, которое складывается из следующих последовательно выполняемых операций: Известняк и глину предварительно дробят, затем высушивают до влажности примерно 1% и измельчают в сырьевую муку. Сушат известняк и глину либо раздельно (используя для этой цели сушильные барабаны или другие тепловые аппараты), либо совместно в сырьевых сепараторных мельницах, в которых одновременно осуществляются помол и сушка материалов.
Последний способ более эффективен и применяется на большинстве новых заводов, работающих по сухому способу. В силосах мука тщательно перемешивается сжатым воздухом. Обжиг сырьевой муки производится в виде гранул (зерен) размером до 25 мм.Грануляция смеси осуществляется в трансляторах барабанного или тарельчатого типа.
Для обжига клинкера при сухом способе применяют вращающиеся печи, а также автоматические шахтные печи или другие более эффективные обжигательные аппараты – вращающиеся печи с конвейерным кальцинатором, аппараты для обжига клинкера во взвешенном состоянии (последние находятся еще в стадии практического освоения).
При обжиге в шахтных печах топливо в виде раздробленного угля запрессовывается в гранулы; для этого в сырьевую смесь при ее измельчении в определенном количестве добавляют уголь, и он измельчается совместно с сырьевыми материалами (способ «черной муки») или сырьевая мука и уголь измельчаются раздельно, а затем смешиваются при формовании гранул (способ «белой муки»).
Первый способ – «черной муки» обеспечивает более равномерное распределение топлива в смеси и этим улучшаются процессы обжига.
3. Осадочные содержат обычно (%): 70—90 кремнезема, 3—10 глинозема, 1—3 оксида кальция (в отдельных случаях до 10— 20), 1—3 щелочей.
По химическому составу добавки вулканического происхождения состоят в основном из кремнезема и глинозема (70—90 %), в них присутствует небольшое количество СаО и MgO (2—4 %), щелочей Na20 и К20 (3— 8%) и гидратной воды, удаляемой при прокаливании (5—10%). По фазовому составу они представляют собой смесь частично аморфизованного стекла (50—80%) и некоторых силикатов и алюмосиликатов, а также их гидратов в кристаллическом состоянии. Обычно в них содержатся и различные примеси.
Билет №10
1. ГЦПВ получают, смешивая полуводный гипс (строительный или высокопрочный), портландцемент и ту или иную кислую активную минеральную (пуццолановую) добавку.
Как известно, смеси гипсовых вяжущих веществ с портландцементом при твердении характеризуются неустойчивостью. Установлено, что если в эту смесь вводить надлежащее количество пуццолановых (гидравлических) добавок, содержащих кремнезем в активной форме, то достигаются полная их стабильность и рост прочности при длительном твердении в воздушной или водной среде без разрушительных деформаций.
Роль пуццолановой добавки сводится вначале к снижению концентрации гидроксида кальция и переходу высокоосновных гидроалюминатов кальция (4СаО∙Аl2О3∙13Н2О и ЗСаО∙А12О3∙6Н2О) в более устойчивые низкоосновные. При этом Са(ОН)2 и SiO2 дают гидросиликаты типа CSH(B), по Р. Боггу, или С—S—Н(1), по X. Тейлору.
Такой ход реакции предопределяет неустойчивость трехсульфатной формы ГСАК, а возможно, и его разложение. В последнем случае образуются, по-видимому, односульфатная форма ЗСаО•А12O3•СаSO4- 12H2O, гидрогранаты ЗСаО-Al2О3•nSiО2(6—2n)Н2О, гидросиликоалюминат 3CaO•Al203•CaSi03• 12H2О, гипс CaSО4•2Н2О и их твердые растворы.
Силикаты кальция портландцемента (C3S и C2S) при взаимодействии с водой в этих условиях дают гидросиликаты типа CSH(B) с пониженной основностью, защищающие двуводный гипс от растворяющего действия воды. В большой мере проявляется это защитное влияние на гипс, начиная с 15—20 °/о содержания портландцемента в трехкомпонентной смеси.
В настоящее время используются гипсоцементно-пуццоллановые вяжущие примерно следующего состава (% по массе): полуводиый гипс 75—50, портландцемент 15—25, пуццолановая добавка (трепел, опока, диатомит) активностью не менее 200 мг/г 10—25.
Вместо портландцемента целесообразно применять пуццолановый портландцемент с надлежащим количеством активной гидравлической добавки и, наконец, шлакопортландцемент. Если имеются гранулированные доменные шлаки, то целесообразно изготовлять гипсошлакоцементные вяжущие(ГШЦВ), содержащие 65—40% полуводного гипса или ангидрита, 30—50 % кислого доменного шлака и 5—8 % портландцемента для щелочной активизации вяжущих свойств шлаков. При повышенной основности доменных шлаков возникает необходимость ввода в ГШЦВ также пуццолановых добавок (10—15%) для снижения концентрации гидроксида кальция до безопасных пределов. Концентрация СаО должна быть не выше 1,1 г/л через 5сут и ниже 0,85 г/л через 7 сут. Если концентрация при титровании окажется более высокой, то количество добавки по отношению к цементу увеличивают. Гипсоцементно-пуццолановые и гипсошлакоцементные вяжущие получают тщательным смешением всех составляющих. При этом пуццолановая добавка или доменный шлак должны быть предварительно высушены и измельчены до остатка не более 10 % на сите 008.
Из ГЦПВ, изготовленных на основе строительного гипса, и портландцемента марки 400 и выше можно получать бетоны марок до 20 МПа в зависимости от расхода вяжущего (300— 450 кг/м3) и подвижности бетонных смесей. Коэффициент их размягчения 0,6—0,8. Прочность этих бетонов через 2—3 ч после изготовления достигает 30—40 % марочной.
Бетоны из ГЦПВ с использованием высокопрочного α-гипса имеют через 2—3 ч прочность на сжатие 10— 12 МПа, а через 7—15 сут нормального твердения — 30—40 МПа. Для ускорения твердения изделий из ГЦПВ их можно пропаривать при 70—80 °С в течение 4—6 ч, причем достигаемая прочность составляет 70—90 % конечной. Стальную арматуру в изделиях на ГЦПВ нужно защищать соответствующими покрытиями или добавками NaNO3.
Бетоны и изделия на ГЦПВ характеризуются морозостойкостью 20—50 циклов. По сульфатостойкости эти вяжущие равноценны сульфатостойким портландцементам.
Методом проката на стане или в кассетах готовят панели для устройства стен ванных и душевых комнат, а также санитарно-технических кабин, вентиляционных блоков и т.п. Широко применяют в строительстве панели для верхних покрытий полов жилых зданий. Изделия из ГЦПВ используют также при возведении малоэтажных жилых домов и зданий сельскохозяйственного назначения в суровых условиях эксплуатации. ГЦПВ в смеси с водной эмульсией поливинилацетатного полимера или дивинилстирольного латекеа применяют для отделки наружных и внутренних поверхностей зданий, для крепления керамических плит и других видов отделочных работ. Содержание полимера в отдельных составах колеблется в пределах 5—10 % массы ГЦПВ. Эти композиции характеризуются высокими адгезионными свойствами и долговечностью.
2.. Начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин, а конец - не позднее 12 ч от момента затворения водой. Глиноземистый цемент - быстротвердеющее вяжущее (рис.13). Марка его определяется на 3-й день и составляет 400, 500 и 600. Обычно через 12…15 ч прочность глиноземистого цемента составляет 15…20 МПа; через 15…18 ч сооружение можно вводить в эксплуатацию.
При твердении глиноземистого цемента в короткий промежуток времени выделяется большое количество тепла: за первые сутки 70…80% всего тепла - примерно 100 кал/г, тогда как при твердении портландцемента такое количество тепла выделяется за 7 сут.
Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свыше 25оС. Повышение температуры выше 25…30°С отрицательно сказывается на твердении и прочности глиноземистого цемента из-за перекристаллизации двухкальциевого гидроалюмината в трехкальциевый гидроалюминат. Лучше всего глиноземистый це-мент твердеет при температуре 15…18°С во влажной среде. Теп-ловлажностная обработка, пропаривание и запаривание в автоклаве не применяются, так как при этом снижается прочность изделий. Глиноземистый цемент отличается большой стойкостью в сульфатных и других минерализованных водах, поскольку в его со-ставе отсутствуют трехкальциевый алюминат и трехкальциевый силикат, дающие при твердении не стойкие в агрессивных условиях трехкальциевый гидроалюминат и гидроксид кальция. Бетон на глиноземистом цементе более плотный и водонепроницаемый, чем на портландцементе. Это объясняется уплотняющим действием геля гидроксида алюминия, а также тем, что при твердении глиноземистый цемент связывает сравнительно большое количество воды, обеспечивая тем самым меньшую пористость, которая образуется в результате испарения свободной воды. Бетон на глиноземистом цементе морозостоек, так же как и на портландцементе.
На основе глиноземистого цемента можно получить жаростойкие бетоны, выдерживающие температуру 1300…1400°С.
Применение. Несмотря на высокое качество, глиноземистый цемент не нашел такого широкого применения, как портландцемент. Это объясняется тем, что его стоимость в несколько раз выше, а сырья для производства требуется значительно меньше. Глиноземистый цемент целесообразно применять в тех случаях, когда можно эффективно использовать его положительные свойства - быстрое твердение, высокую сульфатостойкость. Его используют при скоростном строительстве, аварийных работах, зимнем бетонировании, строительстве сооружений, подвергающихся действию минерализованных вод и сернистых газов (но не массивных!), а также попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию, при тампонировании нефтяных и газовых скважин, для приготовления жаростойких бетонов и расширяющихся цементов различных видов. Нельзя использовать глиноземистый цемент для конструкций, в которых температура бетона в результате тепловыделения или внешнего воздействия может подняться выше 25…30°С. Работа с глиноземистым цементом требует большего внимания, квалификации и опыта.
3..Продукты дегидратации двуводного сульфата кальция:
Основой производства гипсовых вяжущих веществ является способность двуводного сульфата кальция при нагревании выделять из кристаллической решетки химически связанную (кристаллизационную) воду, т.е. происходит дегидратация, протекающая по следующим реакциям:
CaSO4·2Н2О = CaSO4 + 2Н2O
В зависимости от условий, в которых протекают эти реакции, продукты дегидратации двуводного гипса могут быть представлены различными модификациями.
По данным П.П. Будникова, Д.С. Белянкина и Л.Г. Берга, а также К. Келли, Д. Суттарда и К. Андерсона в системе CaSO4 - Н2О возможно существование следующих модификаций водного и безводного сульфата кальция:
-двугидрат сульфата кальция (двуводный гипс) CaSO4·2H2O;
- α-полугидрат сульфата кальция (α-полуводный гипс) α -CaSO4·Y2Н2О;
- β-полугидрат сульфата кальция (β-полуводный гипс) β-CaSO4·Y2H2O;
- α-обезвоженный полугидрат сульфата кальция α-CaSO4;
- β-обезвоженный полугидрат сульфата кальция β-CaSO4;
- α-растворимый ангидрит α -CaSО4;
- β-растворимый ангидрит β-CaSO4;
- нерастворимый ангидрит (эстрих-гипсом).
Двуводный сульфат кальция CaSO4·2H2O в природе встречается в виде минерала гипса. Химически чистый двуводный гипс содержит: СаО - 32,56 %; SO3 - 46,51 %; Н2О - 20,93 %. Он относится к моноклинно-призматическому классу кристаллов. Кристаллическая структура его представляет собой решетку слоистого строения по плоскости (010) из двухслойных пакетов CaSO4, соединенных слоями Н2О; при этом каждый слой CaSO4 состоит из цепочки атомов Са2+ и группы SO Размещение молекул воды между слоями ионов Са2+ и SO обусловливает их способность полностью или частично выделяться из кристаллов гипса.
При обычных условиях двуводный гипс является термодинамически устойчивой твердой фазой с минимальным значением свободной энергии и находится в равновесном состоянии. При нагревании его происходит изменение равновесного состояния, т.е. его дегидратация.
Основным продуктом дегидратации двуводного гипса является полуводный гипс, образование которого в виде а α- или β-модификации зависит от условий тепловой обработки.
Полуводный сульфат кальция CaSO4·0,5H2O в природе встречается редко и называется бассанитом. Д.С. Белянкин, Л.Г. Берг считают, что α-полугидрат сульфата кальция образуется при обработке двуводного гипса при температуре выше 97–115 °С в среде насыщенного пара и в воде или растворах некоторых солей, т.е. в условиях, при которых вода из двуводного гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Он кристаллизуется в виде хорошо образованных крупных, плотных, прозрачных игл или призм.
При обычном нагревании двуводного гипса при температуре 100–160 °С и удалении из него воды в виде перегретого пара получается β-полугидрат сульфата кальция. Он состоит из мельчайших агрегатов плохо выраженных кристаллов, вследствие чего его частички приобретают структуру со значительной развитой внутренней поверхностью (удельная поверхность Р-полугидрата сульфата кальция в 2–2,5 раза выше, чем α-полугидрата сульфата кальция).
Многие исследователи считают, что α- и β-полугидраты сульфата кальция не имеют различия в строении кристаллической решетки, которая при температуре менее 45 °С - ромбическая, псевдогексагональная, а при температуре более 45 °С - тригонально-трапецеидальная. Кристаллическая решетка состоит из цепей атомов Са2+ и групп SO расположенных параллельно оси С. Вследствие этого образуются пространственные каналы, в которых находится гидратная вода. Кроме этой воды, как утверждают некоторые исследователи, может дополнительно поглощаться «сверхстехиометрическая» вода, количество которой может колебаться. По их мнению, различие в скорости гидратации и теплоте растворения объясняется неодинаковой степенью дисперсности их кристаллов.
По этой причине требуемую подвижность гипсового теста из α-полугидрата сульфата кальция можно получить при меньшем расходе воды, чем из β-полугидрата сульфата кальция. В связи с этим затвердевшее тесто из α-полугидрата сульфата кальция приобретает повышенную плотность и прочность по сравнению с затвердевшим тестом из β-полугидрата сульфата кальция. При одинаковом же водогипсовом отношении прочность затвердевших вяжущих из α- и β-полугидратов сульфата кальция примерно одинакова.
При смешивании с водой гипсовое вяжущее из α-полугидрата сульфата кальция схватывается медленнее, чем из β-полугидрата сульфата кальция, отличающегося повышенной скоростью гидратации вследствие высокоразвитой истинной поверхности частичек последнего.
При нагревании β-полугидрата при температурах 170–180 °С, а α -полугидрата - при 200–210 °С теряется остальная кристаллизационная вода и, по мнению ряда исследователей, они переходят в β- и α-обезвоженные полугидраты.
Дегидратация β- и α-полугидратов не приводит к видимым изменениям структуры.
Кристаллические решетки β- и α -полугидратов сходны с кристаллической решеткой α- и β-обезвоженных полугидратов. Последние нестойки и быстро гидратируются на воздухе до β- и α- полугидратов. По этой причине их существование оспаривается.
При нагревании β-обезвоженного полугидрата до температуры 320–360 °С, а α-обезвоженного полугидрата - до 220 °С и выше их кристаллические решетки изменяются и они переходят в β- и α-растворимые ангидриты. Растворимые ангидриты отличаются от полугидратов более высокой водопотребностью, быстрым схватыванием и пониженной прочностью. Отметим, что некоторые ученые (Флерке и др.) отрицают существование β- и α-растворимых ангидритов, считая, что образуется лишь одна модификация растворимого ангидрита - g-ангидрит, который при нагревании до 450 °С и выше переходит в нерастворимый ангидрит с выделением тепла в количестве от 65,5 до 97,3 Дж/г и сохранением кристаллической решетки.
При дальнейшем нагревании в интервале температур 360–800 °С водные и безводные модификации сульфата кальция при полной перестройке кристаллической решетки переходят в нерастворимый ангидрит. Он трудно растворяется в воде; затворенный водой практически не схватывается и не твердеет.
При нагревании в интервале температур 800–1000 °С нерастворимый ангидрит разлагается на оксид кальция, сернистый газ и кислород. Получаемый при этих температурах продукт состоит из нерастворимого ангидрита и небольшого количества (2–3 %) оксида кальция. Его называют эстрих-гипсом. Под каталитическим воздействием СаО эстрих-гипс приобретает свойства вновь схватываться и твердеть.
Билет № 11
1. Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются.
К числу воздушных вяжущих веществ относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества, а также воздушная известь.
Поэтому эти вяжущие можно применять лишь в таких частях сооружений, которые не подвергаются действию воды. Воздушные вяжущие вещества по своему химическому и минералогическому составу - сравнительно простые вещества: они состоят, как правило, из одного соединения. Основой гипсовых вя-жущих является сернокислый кальций СаSO4 или СаSO4·0,5Н20; известковые вяжущие состоят главным образом из оксида кальция СаО и какого-то количества оксида магния МgО; магнезиальные вяжущие содержат оксид магния МgО; жидкое стекло - силикат на-трия Na2О·nSiO2 или калия К2О·nSiO2.
Воздушные вяжущие вещества применяются только в сухих условиях – в надземных сооружениях, не подвергающих-ся действию воды, например, внутри помещения .
Гидравлические вяжущие вещества отличаются тем, что после смешения с водой и предварительного твердения на воздухе способны в последующем твердеть как в воздушной, так и в водной|среде. Гидравлические вяжущие вещества применяют в производстве разнообразных изделий и конструкций, а также при возведении зданий и сооружений, предназначенных к эксплуатации в воздушной и в водной среде. В начальный период твердения необходимо, чтобы в среде, где находится вяжущее вещество, присутствовала влага. Иначе вяжущее быстро теряет большую часть воды затворения и течение химических реакций, благодаря которым формируется прочность материала, замедляется. В благоприятных условиях, когда влажность окружающей среды достаточна, гидравлические вяжущие со временем повышают прочность. Таким образом, по своим свойствам и области применения гидравлические вяжушие вещества более универсальны.
В группу гидравлических входят многие вяжущие вещества, которые в свою очередь с некоторой условностью можно разделить на несколько подгрупп.
В первую подгруппу включают чистые гидравлические вяжущие, не содержащие или содержащие не более 15% активных минеральных добавок.
В эту подгруппу входят:
а) портландцемент, а также пластифицированный,
гидрофобный, сульфатостойкий, белый портландцементы;
б) глиноземистый цемент;
в) романцемент;
г) гидравлическая известь.
Ко второй подгруппе относят смешанные гидравлические вяжущие, получаемые смешением чистых вяжущих, а также с активными или инертными минеральными добавками, вводимыми в количестве 10—15%.
Основными представителями этой подгруппы являются:а) на основе портландцемента — шлаковый портландцемент, пуццолановый портландцемент, цемент для строительных растворов и др.;
б) на основе воздушной и гидравлической извести —известково-пуццолановые цементы, известково-кварцевое вяжущее для бетонов автоклавного твердения, известково-белитовый (нефелиновый) цемент, известково-шлаковый цемент и др.;
в) на основе глиноземистого и портландского цементов, а также гипса — расширяющиеся и безусадочные цементы;
г) на основе гипса, портландцемента и активных минеральных добавок — гипсоцементнопуццолановые вяжущие и др.;
д) на основе доменных гранулированных шлаков и гипса — сульфатно-шлаковый цемент.
К третьей группе относится кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, представляющий собой тонкомолотую смесь кварцевого песка и кремнефтористо-го натрия, затворяемую водным раствором силиката натрия или калия.
Гидравлические вяжущие вещества широко используются в надземных, подземных, подводных и гидротехнических сооружениях.
Гидравлические вяжущие по своему составу - более сложные вещества. Они состоят главным образом из нескольких соедине-ний, содержащих оксиды СаО, SiO2, Al2O3, Fe2O3.
2. В архитектурно-декоративных целях иногда требуется применение отдельных бетонов на основе белых или цветных цементов, что особенно актуально для тропических стран. Достоинство этих цементов заключается и в том, что в результате низкого содержания растворимых щелочей они характеризуются повышенной атмосферостойкостью.
Сырьевыми материалами для производства белого портландцемента являются каолин и мел (или известняки), отличающиеся ограниченным содержанием красящих окислов — окислов железа и марганца. В качестве топлива в печах применяют нефтепродукты, что позволяет исключить загрязнение клинкера угольной золой. Так как железо образует минералы-плавни, его отсутствие обусловливает необходимость повышения температуры обжига. В ряде случаев в качестве минерала-плавня в шихту добавляют криолит.
При помоле сырьевой шихты и клинкера необходимо исключить их загрязнение примесями металлического железа. Поэтому для помола вместо обычных металлических шаров применяют неметаллические мелющие тела (гравий). Также применяются мелющие тела, изготовленные из никелевых и молибденовых сплавов. Это удорожает помол, что наряду с использованием более дорогих сырьевых материалов делает белый цемент довольно дорогим материалом.
Изготовливают измельчением маложелезистого клинкера, минеральных добавок и гипса. Для обеспечения большей белизны отбеливается в специальном аппарате. При получении белого цемента заполнитель используется белого цвета, предъявляются повышенные требования к чистоте бетономешалок, инструментов, опалубке, формам, применяют не вызывающие окраску пластифицирующие, воздухововлекающие и замедляющие добавки. Цветные цементы получают на основе белого портландцементного клинкера путем совместного помола с пигментами различных цветов, например с охрой, железным суриком, окисью хрома. Можно также получать цветные цементы смешиванием белого цемента с пигментами. Белый портландцемент в смеси с песком, керамзитом и красителем позволяет получать искусственный камень, который внешне практически неотличим от базальта, булыжника, известняка и другого природного камня, имеет ряд преимуществ перед ними: в 2-3 раза легче; более прочный и морозостойкий; в несколько раз дешевле; может быть любого цвета и оттенка.Марки белого цемента: 400 и 500. По степени белизны подразделяются на три сорта: 1, 2, 3-й с коэффициентом отражения соответственно не менее 80, 75, 68%.
Цветной портландцемент изготовляется совместным тонким измельчением белого и цветного портландцементного клинкера, минеральных и органических красителей, гипса и активной минеральной добавки. Применяется для изготовления цветных бетонов, растворов, отделочных смесей и цементных красок.
По цвету портландцемент подразделяют на: красный, желтый,зеленый,голубой, розовый, коричневый и черный. По механической прочности подразделяется на марки 300, 400 и 500.
Портландцемент должен содержать не менее 80% клинкера, не более 6% активной минеральной добавки, не более 15% минерального, искусственного или природного пигмента или не более 0,5% органического пигмента от массы цемента. Белый клинкер должен быть белизной не менее 68% абсолютной шкалы по ГОСТ 965. Для портландцемента желто-красной гаммы и коричневого цвета допускается применять отбеленный клинкер белизной не менее 40% абсолютной шкалы, а для черного - обыкновенный.
Активные минеральные добавки осадочного происхождения белизной не менее 68% абсолютной шкалы должны соответствовать требованиям ОСТ 21-9. Для портландцемента желто-красной гаммы, и коричневого и черного цветов допускается применять добавки белизной не менее 40% абсолютной шкалы.
Красящие пигменты должны обладать щелоче- и светостойкостью, не должны содержать примесей, оказывающих вредное влияние на морозостойкость и прочность цементного камня, и соответствовать нормативно-технической документации на пигменты и красители. Гипсовый камень должен удовлетворять требованиям ГОСТ 4013.
Допускается введение в портландцемент при его помоле поверхностно-активных пластифицирующих и гидрофобизирующих добавок в количестве не более 0,3% его массы в пересчете на сухое вещество, а также вводить в портландцемент специальные добавки, улучшающие его декоративные свойства, в количестве не более 2% массы цемента.
Содержание окиси магния (МдО) в клинкере не должно быть более 5% по массе, свободной окиси кальция (СаОсв.) - 1,5% по массе, ангидрида серной кислоты (S03) в портландцементе - 3,5% от массы цемента.
Портландцемент должен быть однородным по цвету и сохранять свой цвет при тепловлажностной обработке и воздействии ультрафиолетовых лучей. Цвет портландцемента - соответствовать эталону, которым служит образец портландцемента или цементная окраска.
Способы производства портландцемента
Есть несколько способов производства цветного цемента:
• разлом клинкера и белого портландцемента с добавлением пигментов или красковых руд;
• совместный разлом осветленного клинкера с большим содержанием оксидов железа с добавками пигментов или красковых руд;
• разлом цветных клинкеров, изготовленных процессом обжига сырьевых смесей, одним из компонентов является красящие добавки;
• размолом клинкеров, изготовленных электроплавкой шлаков цветной металлургии с дальнейшим обогащением их оксидом кальция;
• размолом клинкеров, окрашенных в раскаленном состоянии в водных растворах красителей;
• совместным размолом серого портландцемента с разбеливающими белыми добавками и пигментами;
размол цветных шлакопигментов.
Самым простым и эффективным является первый способ изготовления цветного цемента. Такой способ можно применять на последнем этапе производства цемента.
Цветной цемент должен начинать застывать через 45 минут и полностью застыть через 10 часов от момента растворения цемента водой.
При кипячении куски цемента должны выдерживать тесты на равномерность изменения объема.
3. Полиэтилен, полученный при низких давлениях, имеет большую плотность, жесткость, прочность т повышенную теплостойкость по сравнению с полиэтиленом, синтезированным при высоком давлении.
Физические свойства полиэтилена зависят от степени его полимеризации, например, температура плавления низкомолекулярного полиэтилена – около 100?С, а высокомолекулярного – около 120?С.
Высокомолекулярный полиэтилен не растворим на холоде и в обычных условиях, но при t=80?С он растворяется в некоторых растворителях (бензоле, толуоле и др).
Предел прочности его при растяжении составляет 10-20 МПа.
Полиэтилен находит широкое применение в строительстве. Он используется для производства мелиоративных труб, гидроизоляционных пленок и др. изделий.
Полипропилен характеризуется высокими техническими свойствами, имеет низкую стоимость и поэтому может широко использоваться в строительстве.
Предел прочности при разрыве – 30-35 МПа. Пленки из полипропилена прозрачны, паро- и газонепроницаемы. Применяют этот материал также для изготовления труб диаметром 25-150 мм и др. изделий, а также в качестве антикоррозийного и декоративного материала.
Полистирол – прозрачный материал, обладает почти абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью. Полистирол используют для изготовления цветных плиток, применяемых для облицовки стен, пористых плит для тепло- и звукоизоляции, эмали для внутренней отделки и др.
Основными недостатками полистирола, как строительного материала, являются большая хрупкость, низкая ударная вязкость, малая морозо- и светостойкость.
Билет № 12
1. Строительной воздушной известью называется продукт, получаемый из известковых и известково-магнезиальных карбонатных пород обжигом их до возможно полного удаления углекислоты и состоящий преимущественно из оксида кальция.
Производство воздушной извести состоит из добычи сырья, дробления, сортировки его и обжига обычно в шахтных печах.
B зависимости от вида топлива шахтные печи бывают пересыпные, когда короткопламенное твердое топливо загружается в печь вперемежку с сырьем послойно; печи с выносными топками для твердого длиннопламенного топлива и печи, работающие на газовом топливе. Высота шахтных печей колеблется для разных конструкций от 8—20 м, диаметр их до 4 м. Наиболее экономичными являются печи, работающие по пересыпному способу. Они представляют собой шахту круглого поперечного сечения, выложенную из красного кирпича и футерованную внутри шамотом (огнеупорным кирпичом). Для увеличения прочности шахты она стянута снаружи металлическими кольцами и имеет отверстия для наблюдения за процессом обжига. Сырье и топливо загружают в печь сверху послойно через загрузочное устройство; двигаясь вниз, сырье обогревается отходящими горячими газами, образующимися при сгорании топлива. В средней части шахты (зона обжига), где температура достигает 1000—1200° С, происходит разложение углекислого кальция и образование извести-кипелки по реакции СаСО3-177,7 кДж. Проходя зону обжига, куски извести опускаются постепенно в нижнюю часть печи (зона охлаждения) и выгружаются с помощью специального устройства. Производительность шахтных печей колеблется в широких пределах и составляет в среднем от 25 до 120 т извести в сутки. Сырьем для производства воздушной извести служат горные породы, содержащие в основном углекислый кальций — мел, известняк, известковые туфы и т.д. Разработку залежей известняка ведут открытым способом с помощью взрывных работ с последующей погрузкой породы на транспортные средства одноковшовыми экскаваторами.Размеры кусков поставляемой с карьера породы достигают 50 — 60 см и более. Загружаемый в шахтную печь известняк имеет обычно размеры 60 — 200 мм. При обжиге во вращающихся печах применяют фракции 5 — 20 мм или 20 — 40 мм. Поэтому поступающую с карьера породу необходимо дробить.
Дробленый материал подвергается рассеву на грохотах, что обеспечивает постоянство фракционного состава. Основа получения известковых вяжущих — обжиг карбонатсодержащих пород. При производстве воздушной извести известняк и мел декарбонизируются и превращаются в известь по реакции СаСОз--CaO+ СО2.. Разложение СаСО3 начинается уже при 600'С, и с повышением температуры реакция ускоряется. При 900'С парциальное давление углекислоты достигает атмосферного, поэтому данную температуру иногда называют температурой разложения известняка. Дальнейшее повышение температуры значительно увеличивает скорость разложения, но отрицательно сказывается на качестве извести — ухудшает ее реакционную способность вследствие роста размеров кристаллов.. Наличие глинистых примесей облегчает удаление СО и снижает температуру обжига. Однако чем больше в извести примесей, тем при более низкой температуре наступает ухудшение ее свойств. Уже при 1000 — 1100'С возникает опасность пережога поверхности кусков извести. В заводских условиях температура обжига карбоната кальция составляет 1050-1200'С, причем под температурой обжига понимают не температуру в печи, а температуру обжигаемого материала.
Диссоциация углекислого кальция — обратимая реакция, протекающая при определенных температурах и соответствующих парциальных давлениях углекислого газа. Скорость перемещения зоны диссоциации СаСО3 по куску зависит от температуры обжига: при 900'С она составляет примерно 2 мм/ч, а при 1100'С — 14 мм/ч, т.е. обжиг идет в 7 раз быстрее. Для повышения производительности печей желательно уменьшение размеров кусков в допустимых пределах. При обжиге кусков различной крупности режим процесса определяют исходя из времени, необходимого для обжига кусков средних размеров.
Характер процессов, протекающих при обжиге мела или известняка, зависит также от содержания в них примесей, влияющих на свойства обожженного материала. При температуре 850 — 1100'С образующийся оксид кальция взаимодействует с кислотными оксидами примесей Si02, Аl2О3 и Fe2О3 с получением двухкальциевого силиката 2СаО SiO2, двухкальциевого феррита 2СаО Fe2О3, однокальциевого алюмината СаО Аl2О3 и др. Количество их зависит от химико-минералогического состава исходного сырья.
Обжиг ведут в шахтных или вращающихся печах. В шахтных печах можно обжигать только твердые породы (известняк, мрамор и др.), а во вращающихся — как твердые породы, так и шламы мягких пород, например мела. Основная задача при обжиге обеспечение максимальной степени декарбонизации СаСО3 приминимальной температуреНаибольшее распространение для производства извести получили шахтные печи, высота которых достигает 20 м. В шахтной печи различают (считая сверху вниз) три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. В зоне подогрева из известняка и топлива (в случае использования твердого топлива — кокса или антрацита) удаляется влага. Известняк нагревается до температуры начала диссоциации, а топливо — до температуры воспламенения. В зоне обжига за счет сгорания топлива или поступления продуктов его сгорания из топок (в случае работы печи на жидком или газообразном топливе) достигается максимальная температура материала и активно происходит диссоциация СаСО3 и MgCO3 . В третьей зоне материал охлаждается поступающим в печь снизу воздухом. Вращающиеся печи позволяют получать мягкообожженную известь высокого качества из мелкокускового известняка и из мягких карбонатных пород -(мела, туфа, известняка-ракушечника), которые нельзя обжигать в шахтных печах из-за склонности этих материалов к «зависанию» в шахте, приводящему к нарушению технологии обжига.
2. 1)Стекловатые шлаки макроскопически зеленого цвета, стекло частично раскристаллизовано, в нем наблюдаются минеральные сферолиты. По данным рентгенофазового анализа сферолиты диагностированы как бустамит (Mn, Ca)3Si3O9. В шлифе в основной массе стекла также наблюдаются многочисленные сферолиты размерами от 0.01 мм до 0.05 мм с радиально лучистым строением, которые сложены игольчатыми кристаллами бустамита, окрашенного в бурые цвета (рис. 1а). Также встречаются округлые обособления размером 1-5 мм, которые характеризуются концентрически-зональным строением (рис. 1б): 1) центральная часть - представлена розетковидными, метельчатыми срастаниями бустамита, с размером отдельных зерен от 0.01 мм до 0.1 мм, расположенных относительно друг друга беспорядочно и образующих своеобразную войлочную структуру. В центральной части зерна бесцветны, иногда бледно окрашены в зеленоватые тона; 2) краевая часть - сложена волокнистыми срастаниями того же бустамита, окрашенного в бурые цвета. Помимо того, часто наблюдаются зерна рудного минерала. 2) Кристаллические шлаки имеют цвета от фисташково-зеленого до темно-зеленого. Встречаются шлаки, которые сложены неплотным агрегатом крупных кристаллов, а некоторые шлаки сложены зернистой массой и имеет среднезернистую структуру. На просвет кристаллы бесцветные, прозрачные. Под бинокулярным микроскопом четко видно, что эти кристаллы имеют облик дитетрагональных призм. На основании расшифровки рентгенограммы установлено, что этот минерал относится к группе мелилита и является акерманитом Ca2MgSi2O7. Микроскопически эти шлаки почти полностью раскристаллизованы; содержание стекла в них меньше 5 %. Остальные 95 % приходятся на: акерманит - 70 % и монтичеллит CaMgSiO4 - 25 %. То, что шлак почти полностью раскристаллизован, говорит о медленном остывании и постепенной кристаллизации из высокотемпературного расплава. Акерманит в шлифе представлен крупными, размером до 1-1.5 мм, идиоморфными полигональнымии зернами (кристаллами) (рис. 2а), нередко скелетными, белого цвета. Наряду с кристаллическими образованиями акерманита в шлифе в виде отдельных линзовидных слойков и участков неправильной формы наблюдаются микролиты звездчатой формы и охристые выделения, которые представлены монтичеллитом, который имеет густо-синий цвет (возможно, содержит примесь железа) (рис. 2б). Основная масса шлаков производства силикомарганца представляет собой глухие (глушёные) стекла различных оттенков оливково-зеленого цвета) (обусловленного, видимо, существенной примесью серы) (рис. 3а, б) с многочисленными включениями мелких капель и крупных лепешковидных слитков металла (рис. 4). Из-за обильных включений металлических и сульфидных фаз, именно эти стекловатые шлаки представляют наибольший практический интерес как потенциальное техногенное сырьё для вторичного извлечения полезных компонентов. Поэтому эти шлаковые стекла изучены нами максимально детально на предмет не только химического, но и минерального состава включений в них, поскольку для технологии извлечения и переработки важно знать не только содержание полезного компонента, но его минеральная форма. Из визуально однородного светлого оливково-зеленого шлакового стекла изготовлен аншлиф, изучение которого проведено на растровом электронном микроскопе JSM-6400 (Jeol) с энергодисперсионным микроанализатором Link (Oxford) (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) при увеличениях от 1000 до 7500 крат. Под электронным микроскопом силикатно-марганцевое шлаковое стекло выглядит также однородным материалом с довольно редкими включениями двух типов - металлических и сульфидных. Состав стекла на разных участках почти один и тот же (табл. 2). В нем не обнаружено железо, но отмечается повышенное содержание марганца и серы. С двумя последними элементами связаны две самостоятельные фазы в стекле.
3. Пуццолановым портландцементом называют вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера нормированного минерального состава , кислой активной минеральной добавки и двуводного гипса . Содержание трехкальциевого алюмината в клинкере для производства этого цемента должно быть не более 8 % В этом цементе допускается следующее содержание активных минеральных добавок: осадочного происхождения— не менее 21 и не более 30%; вулканического происхождения, обожженной глины, глиежа или топливной золы — не менее 25 и не более 40 %.
Гипс вводят в пуццолановый портландцемент для регулирования сроков схватывания. Содержание его зависит от качества портландцементного клинкера и не должно превышать 3,5 % в пересчете на S03.Истинная плотность обычно колеблется в пределах 2,7—2,9 г/см3, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гидравлической добавки. Насыпная плотность пуццоланового портландцемента в рыхлонасыпном состоянии 800—1000, а в уплотненном—1200—1500 кг/м3. Водопотребность пуццолановых портландцементов выше, чем водопотребность ПЦ.
Сроки схватывания пуццоланового ПЦ в основном определяются качеством ПЦ клинкера и количеством добавляемого гипса.
Наиболее целесообразная область его применения — подводные и подземные части сооружений. Зачастую используют пуццолановый портландцемент в бетонах внутренних частей массивных сооружений, поскольку у него сравнительно небольшое тепловыделение.
Однако бетоны на пуццолановом портландцементе обладают низкой морозостойкостью и не пригодны для возведения сооружений, подвергающихся частому замораживанию и оттаиванию.
Билет №13
1. Схватывание и твердение а- и -модификаций обусловлены переходом их при взаимодействии с водой в двугидрат по схеме CaSO4.0)5H2O+l,5H2O = CaSO4-2H2O.
При гидратации (полугидрата выделяется 19,4 кДж/ /(г-моль) теплоты или 134 кДж на 1 кг полугидрата.
По теории А. Ле Шателье (1887 г.), при смешении с водой полуводный гипс растворяется с образованием насыщенного водного раствора. В растворе он взаимодействует с водой и переходит в двуводный. Так как растворимость полугидрата в воде, считая на CaS04, составляет около 8 г, а равновесная растворимость двугид-рата около 2 г на 1 л, то раствор становится пересыщенным по отношению к двугидрату. Поэтому в жидкой фазе возникают условия для образования зародышей кристаллов двуводного гипса и выделения их из раствора. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение концентрации полугидрата в жидкой фазе и создает возможность для растворения новых порций этого вещества и образования пересыщенного раствора CaSO.r2H20.
По мере выделения из раствора все новых и новых количеств двуводного гипса кристаллики его растут, переплетаются, срастаются и обусловливают схватывание и твердение исходной смеси гипса с водой. Нарушение структуры твердеющего гипса после начала его схватывания приводит к резкому снижению его прочности.
По теории А. А. Байкова (1923 г.), процессы твердения полуводного гипса, а также других минеральных вяжущих веществ, образующих гидратиые соединения, можно разделить на три периода.
В первом периоде, начинающемся с момента смешения гипса с водой, растворяется полугидрат и образуется его насыщенный раствор.
Во втором периоде вода взаимодействует 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.
В третьем периоде частички двугидрата коллоидных размеров перекристаллизовываются с образованием более крупных кристаллов, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности.
Следует подчеркнуть, что по А. А. Байкову, эти периоды не следуют строго один за другим. Они налагаются так, что в твердеющей массе одновременно протекают процессы коллоидообразования, характерные для второго периода, и процессы перекристаллизации в более крупные частички. Дальнейшее высыхание затвердевшей системы приводит к значительному увеличению прочности.
2. По ГОСТ 10178—76, в портландцемента с минеральными добавками допускается вводить активные минеральные добавки в количестве не более 10—20 % по массе. Как показывают многочисленные исследования, в ряде случаев введение тонкомолотых малоактивных и даже инертных при обычной температуре добавок до 25 %, а иногда и более позволяет полнее использовать клинкерную часть цементов, увеличить плотность бетонов, уменьшить их деформации усадки и набухания, увеличить стойкость против действия агрессивных вод, а также значительно снизить их стоимость.
Как отмечалось ранее, даже при длительном твердении бетонов клинкерные частички размером более 40— 60 мкм обычно полностью не гидратируются и выполняют в цементном камне роль микронаполнителя. Клинкерные частички такого размера без существенного снижения прочностных характеристик портландцемента могут быть замещены в нем подобными же частичками, но из других, в том числе и инертных, материалов.
При изготовлении бетонов и растворов низких марок требуются вяжущие сравнительно невысоких марок. При использовании обычных портландцементов расчетное количество цемента для получения бетона или раствора заданной прочности часто недостаточно для придания бетонной или растворной смеси требуемой удобоукладываемости и исключения водоотделения. Разбавление портландцемента в этом случае добавками-наполнителями позволяет без перерасхода цемента получить требуемую удобообрабатываемость смеси и повысить плотность бетона или раствора.
Наконец, при изготовлении автоклавных бетонных изделий введение в портландцемент кремнеземистых добавок-наполнителей способствует значительному повышению прочности бетонов. При тепловой обработке бетонов в автоклаве при 174,5—200 °С и 0,9—1,6 МПа происходит химическое взаимодействие между клинкерными минералами и измельченными кремнеземистыми добавками (в том числе и кристаллическим кварцем). В результате дополнительно образуется значительное количество цементирующих новообразований, таких как CSH(B), по Р. Боггу [С—S—Н(1), по X. Тейлору], и гидрогранаты 3CaO-AI203-nSi02(6—2/z)H20, и при оптимальном содержании молотых кремнеземистых добавок достигается прочность, значительно превышающая прочность бетонов на исходном портландцементе.
настоящее время наиболее распространены цементы для строительных растворов и песчаные портландцемента для бетонов автоклавного твердения. Цементы для строительных растворов, по ГОСТ 25328—82, получают совместным тонким измельчением портландцементного клинкера, необходимого количества гипса и минеральных добавок. Содержание клинкера должно быть не менее 20 % но массе вяжущего. В качестве заполнителей можно использовать многие материалы, однако лучшие результаты обеспечивают те, которые характеризуются высокой прочностью и плотностью. Малопрочные рыхлые влагоемкие материалы увеличивают водопотребность цементов, что вызывает значительное снижение их прочности и морозостойкости. При изготовлении цементов совместным помолом твердые добавки, например кварцевый песок, играют роль абразива по отношению к клинкеру, способствуя более тонкому измельчению его частиц, а следовательно, быстрой их гидратации в начальные сроки твердения. При этом частички твердых добавок, достигая при помоле размера 30—100 мкм, замещают в цементе клинкерные частички тех же размеров и выполняют роль микронаполнителя в общей массе вяжущего.
В качестве минеральных добавок разрешается использовать:
активные минеральные добавки (ОСТ 21-9-81);
шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные (ГОСТ 3476—74);
золошлаковые отходы 'ГЭС для производства цемента (ТУ 34-70-10347-81). В кислых золах содержание серного ангидрида должно быть не более 2 %, двуоксида кремния не менее 40 % и остатков несгоревшего топлива не более 5%. В основных золах содержание серного ангидрида допускается не более 5 %, свободного оксида кальция не более 10 % и несгоревших остатков топлива не более 5 %. В отдельных случаях, по заключению НИИцемента, допускается повышенное содержание остатков топлива на основании специальных исследований;кварцевый песок, содержащий кремнезем в количестве не менее 90 %, глинистые, илистые и пылевидные фракции размером до 0,05 мм не более 3 %;
пыль электрофильтров клинкерообжигательных печей, содержащую щелочные оксиды в количестве не более 6 % (в пересчете на Na20 по формуле Na2O+0,658 КгО);
кристаллические известняки, гипсовый камень, содержащий не менее 65 % CaS04-2H20, фосфопшс.
Рекомендуются следующие составы цементов для строительных растворов и низкоцементных неармированных бетонов марок 150 и ниже: клинкер не менее 40 %, активная минеральная добавка или известняк не более 60%; клинкер не менее 30%, активная минеральная добавка не менее 20 и не более 30 %, известняк или кварцевый песок не более 50 %.
Для улучшения качества этих цементов разрешается ввод в них пластифицирующих (до 0,5 %), а также гидрофобизирующих добавок (до 0,3 %)•
Начало схватывания цементов должно наступать не ранее 45 мин, а конец—не позднее 12 ч от начала затворения. Тонкость помола должна характеризоваться проходом через сито № 008 (ГОСТ 3584—73, с изм.) не менее 88 % массы просеиваемой пробы. Содержание серного ангидрида S03 не должно превышать 3,5 % по массе цемента. Предел прочности балочек размером 4X4X Х16 см (ГОСТ 310.1—76, с изм.), испытанных через 28 сут с момента изготовления при сжатии их половинок, должен быть не менее 20 МПа.
Песчаные портландцементы обычно получают совместным помолом клинкера и песка с необходимой добавкой гипса (до 3,5 % в расчете на клинкерную часть). Соотношение между клинкером и песком устанавливают опытным путем (25—60% песка по массе цемента).
Как показали многие исследования, особенно эффективно изготовлять песчаный портландцемент помолом портландцементного порошка (не клинкера) с кварцевым песком до удельной поверхности 2500—3500 см2/г и более. В этом случае зерна песка, выполняя роль мелющих тел, обеспечивают переход клинкерных частиц в тонкие и тончайшие фракции, способные взаимодействовать с водой в наиболее короткие сроки твердения, в то время как частички песка остаются преимущественно в виде более грубых фракций.
При таком способе получения песчаный портландцемент с добавками 25—35 % песка при твердении в нормальных условиях обладает практически теми же прочностными характеристиками, что и исходный портландцемент. Его можно наряду с портландцементом применять для изготовления бетонов, твердеющих при обычной температуре или подвергаемых пропариванню при атмосферном давлении. Песчаный портландцемент выгодно отличается от исходного меньшим тепловыделением и пониженными влажиостными деформациями.
При обычных температурах твердения и при пропаривании при 90—95 °С взаимодействие измельченного кварца с выделяющимся при твердении портландцемента гидроксидом кальция незначительное, поэтому песчаный цемент следует рассматривать прежде всего как специальное вяжущее вещество для бетонов автоклавного твердения, и его целесообразнее всего готовить на клинкере с повышенным содержанием силикатов кальция. Вводя оптимальное количество молотого кварцевого песка, можно получить цементы практически одинаковой активности при любом соотношении в клинкере между трех- и двухкальциевом силикатами. Однако следует учитывать, что в алитовый цемент можно ввести повышенное количество песка.
Применение песчаного портландцемента с содержанием 40—50 % молотого песка при запаривании в автоклаве под давлением 0,9—1,6 МПа позволяет получать изделия при расходе клинкерной составляющей 200— 250 кг/м3 с прочностью 60—80 МПа и более.
3. Отвердевание осн-х орг.ВВ может происходить в объемном и пленочном сост-ях.В объемном-их вязкость повыш-ся с переходом в вязкоупругое состояние в цистернах,котлах,сосудах и др.;в пленочном-происходит постеп-е или быстрое структуирование ВВ в асфальтовых и дегтевых бетонах и раст-х,в кровельных и гидроизол-х мат-х и изделиях.Битум и деготь переходят из объемного состояния в пленочное с помощью порошкообразного или зернистого мин.напол-ля.Исх.вязкость этих ВВ в пленочном состоянии несколько выше,так как часть ВВ находится в адсорбционно-сольватированном сост. С пониж.тем-ры воз-ют центры образ-я мицелл,их рост и увел-е конц-ции переводят жидкостные пленки и веде к структуированию.
Билет №14
1. Высокопрочный гипс отличается от обычного более крупными кристаллами не волокнистого строения и потому обладает меньшей водопотребностью. Особенностью высокопрочного гипса является также мономинеральность его структуры. Уменьшение водопотребности и вызываемое этим повышение прочности гипса имеет значение для литых изделий. Если же применяется масса жесткой консистенции например при изготовлении изделий путем вибрирования, то количество воды, необходимое для получения из обычного и высокопрочного гипса теста нужной консистенции примерно равно и получаемые изделия имеют почти одинаковую прочность. Недостаток высокопрочного гипса - повышенная ею ползучесть, т. е. появление неупругих деформаций при длительном выдерживании под нагрузкой. Высокопрочный гипс используется в настоящее время главным образом для изготовления различных форм и некоторых других целей.
Высокопрочный гипс представляет собой CaS04 0 5 Н20 - полугидрат, отличающийся от строительного гипса, или алебастра, имеющего такой же состав, способом производства. Высокопрочный гипс получают обработкой двугидрата CaS04 2Н20, обычно в виде измельченного гипсового камня, при температуре 115 - 120 С насыщенным водяным паром под давлением 1 2 - 1 4 кгс / см2 с последующей сушкой при температуре 160 - 180 С и помолом.
Высокопрочный гипс имеет плотность 2 72 - 2 75 г / см3, а его средняя плотность - в тех же пределах, что и гипса строительного.
Высокопрочный гипс из фосфогипса для строительных целей.
Высокопрочный гипс получают варкой фосфогипса в жидких средах под избыточным давлением в присутствии регуляторов кристаллизации.
Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного гипса. Нагревая природный гипсовый камень при нормальном давлении, получают обычный строительный гипс.
Высокопрочный гипс отличается от строительного способом получения и более тонким помолом. Природный гипс обрабатывают под давлением Авб1 3 кгс / см2 паром с температурой 124 С. При этом получают полуводный гипс, который отличается от строительного строением кристаллов. Для получения пластичного теста из порошка такого гипса требуется 40 - 45 % воды против 60 - 80 % для строительного. Меньшее количество воды обусловливает меньшую пористость затвердевшего гипсового камня, а следовательно, и более высокую прочность, достигающую через сутки 500 кгс / см2 на сжатие и 37 кгс / см2 на растяжение.
Высокопрочный гипс выпускают марок 100; 250; 300; 400; 450; 500, что означает минимальный предел прочности на сжатие гипсового камня через сутки после его затворения. Схватывание высокопрочного гипса всех марок должно начинаться после 4 мин, заканчиваться после 8 - 20 мин. Тонкость помола характеризуется проходом через сито с сеткой № 02 не менее 99 5 % пробы.
Высокопрочный гипс обладает свойством ползучести, способностью наращивать деформации во времени под действием постоянной нагрузки. Поэтому его не применяют в несущих конструкциях, работающих на изгиб. Из высокопрочного гипса изготовляют гипсобетонные детали и изделия, работающие на сжатие.
Высокопрочный гипс получают термической обработкой высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением пара. Он состоит в основном из - модификации полуводного сульфата кальция, более активной, чем - модификации. Поэтому прочность высокопрочного гипса при сжатии 15 - 25 МПа, а при специальной технологии производства - до 60 МПа превышает прочность строительного гипса. Из него изготавливают элементы стен и сборных перегородок, камни для стен.
Высокопрочный гипс кристаллизуется в виде хорошо образованных крупных игл или призм, требует для получения теста меньшее количество воды, чем строительный гипс, схватывается медленнее, но в итоге образует более прочный камень.
Высокопрочный гипс отличается от других его сортов моно-минеральностью и крупными кристаллами.
Высокопрочный гипс получается обработкой паром под давлением строительного гипса и отличается от него большим размером кристаллов; он требует значительно меньше воды при затворении ( примерно в 1 4 - 2 раза) и дает изделия большей прочности.
Высокопрочный гипс применяют в тех же областях и с теми же ограничениями, что и строительный гипс.
Высокопрочный гипс отличается от строительного кристаллическим строением и большой прочностью. Применяется он для изготовления внутренних конструкций зданий.
Высокопрочный гипс получается в результате термообработки природного гипсового камня.
Получают высокопрочный гипс и в горизонтальных автоклавах, в которых гипсовый камень с размером кусков 0 15 - 0 4 м загружают на полочных вагонетках. Гипс подвергают обработке паром под давлением 0 7 МПа в течение 5 - 6 ч и затем сушат в течение 17 ч, пропуская пар через калориферы, установленные внутри автоклава.
Получение высокопрочного гипса состоит в том, что щебень двуводного гипса размером 10 - 15 мм подвергают пропариванию при 1 3 атм в герметически закрытом аппарате. При нагревании паром гипс обезвоживается, и полуводный гипс перекристаллизо-вывается.
В высокопрочном гипсе более крупные, чем у обычного гипса, кристаллы неволокнистого строения, поэтому водопотребность его меньше. Уменьшение водопотреб-ности и вызываемое этим повышение прочности гипса имеют значение только для литых изделий, когда же применяют массу жесткой консистенции, как, например, при вибрировании, для получения материала нужной консистенции из обычного и высокопрочного гипса требуется примерно равное количество воды, вследствие чего изделия из гипса обоих видов имеют приблизительно одинаковую прочность.
В высокопрочном гипсе более крупные, чем у обычного гипса кристаллы неволокнистого строения, поэтому водопотребность его меньше. Уменьшение водопотреб-ности и вызываемое этим повышение прочности гипса имеют значение только для литых изделий, тогда же применяют массу жесткой консистенции, как, например, при вибрировании, для получения материала нужной консистенции из обычного и высокопрочного гипса требуется примерно равное количество воды, вследствие чего изделия из гипса обоих видов имеют приблизительно одинаковую прочность.
2 . Кремнийорганические полимеры — представители элементоорганических высокомолекулярных соединений. Мономерами для кремнийорганических полимеров служат соединения, получаемые взаимодействием кремния с хлористым метилом и этилом (алкилхлорсиланы), и продукты их этерификации спиртами (алкилоксисиланы). Кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны) характеризуются высокой теплостойкостью (более 400°С), водостойкостью, морозостойкостью, эластичностью, устойчивостью к окислению, гидрофобизующей способностью. Недостатками их являются невысокая механическая прочность (предел прочности при растяжении 40... 60 МПа) и слабая адгезия к другим материалам; плотность их 1600...2100 кг/м3.
В строительстве широко используют низкомолекулярные кремнийорганические полимеры в виде жидкостей для придания гидрофобных свойств поверхностям различных строительных материалов. Эти жидкости нетоксичны и удобны в обращении. Гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11 рекомендуются для обработки поверхности бетона, кирпича, асбестоцемента, штукатурки и др. Их используют в виде 5%-го водного раствора. Жидкость ГКЖ-94 отличается более высокой стоимостью и рекомендуется (кроме бетона и кирпича) для обработки гипса, бумаги, картона, тканей, металлов и т.д. Используется в виде 0,5... 10%-й водной эмульсии или раствора в бензине, толуоле, дихлорэтане, четыреххлористом углероде.
Из высокомолекулярных кремнийорганических полимеров в промышленности строительных материалов находит применение полимер К-40, представляющий полиметилфенилсилоксан. Его применяют для изготовления пенопластов, пропиточных составов, лаков, эмалей, красок. Полиорганосилоксановые каучуки (линейные полимеры) используют в виде различных изолирующих и герметизирующих паст и клеев. Кроме того, кремнийорганические полимеры могут применяться для изготовления слоистых пластиков, стеклопластиков и др.
3. Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а ингда и со специальными добавками. При измельчении клинкера вводят 1.5-3.5% гипса для регулирования сроков схватывания, до 15% активных минеральных добавок – для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.
К основным техническим свойствам портландцемента относят – плотность и объёмную насыпную массу, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объёма цементного теста и прочность затвердевшего цементного раствора.
Плотность цемента находится в пределах 3.0-3.2 г/см3, объемная насыпная масса в рыхлом состоянии составляет 900-1100 кг/м3 и до 1700 кг/м3 – в уплотнённом.
Тонкость помола характеризует степень измельчения цемента и устанавливается ситовым анализом. Более точный характеристикой степени измельчения цемента является его удельная поверхность, т.е. поверхность всех зёрен, содержащихся в 1 г цемента. Тонкость помола в значительной степени влияет на прочность цементного камня. Чем более тонко измельчён цемент (до известного предела), тем выше прочность цементного камня.
Тонкость помола должна быть такой, чтобы через сито №008 проходило не менее 85% от всей навески портландцемента. Удельная поверхность обычного портландцемента находится в пределах 2000-3000 см2/г и 3000-5000 см2/г – быстротвердеющих и высокопрочных цементов. Сроки схватывания цементного теста (цемент + вода) зависят от тонкости помола, минерального состава и водопотребности цемента. При этом водопотребность характеризуется количеством воды в процентах от массы цемента, необходимой для получения теста нормальной густоты, т.е. определённой подвижности (24-28%).
Начало схватывания должно наступать не ранее 45 минут, а конец не позднее 12 часов. За начало схватывания принимают время, прошедшее от начала затворения цемента водой до начала загустевания цементного теста: а за конец – время от начала затворения теста до полной потери им пластичности.
С повышением температуры схватывания цементного теста ускоряется, с понижением – замедляется.
За период схватывания, которое завершается относительно быстро (несколько часов), следует продолжительный процесс превращения цементного теста в цементный камень.
Портландцемент, являющийся высококачественным и дефицитным материалом, необходимо расходовать экономно, заменяя его, где это технически возможно, более дешевыми вяжущими веществами — известью, гипсовыми вяжущими, смешанными цементами.
Изделия и конструкции, изготовленные с использованием портландцемента, широко используют в надземных, подземных и подводных условиях. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона и железобетона в жилищном, промышленном, гидротехническом, до-рожлом строительстве и т. д. На нем изготовляют тяжелые и легкие бетоны, ячеистые бетоны, строительные растворы высоких марок, теплоизоляционные материалы и т. д. Портландцемент не следует применять для конструкций, подвергающихся воздействию морской, минерализованной и даже пресной воды проточной или под сильным напором. В этих случаях рекомендуется использовать цементы специальных видов (сульфатостойкие, цементы с добавками).
Билет №15
1. Органические ВВ представляют собой природные или искусственные твердые,вязкопластичные или жидкие продукты,способные изменять свои физ.-мех. св-ва в зависимости от темп-ры.Орг.ВВ разделяют на 3 группы:битумы природные и нефтяные;дегти каменноугольные,сланцевые,торфяные и древесные;полимеры полимеризационные и поликонденсационные.
2. Все твердые материалы характеризуются сопротивлением измельчению, на разных ступенях оно может быть различным, что зависит в основном от макроструктуры и физических свойств материала. В производстве вяжущих веществ тонкому измельчению подвергаются лишь хрупкие материалы. Разные твердые материалы дают продукты, характеризующиеся различной степенью дисперсности.
Размалываемость клинкера можно оценивать по кварцу, размалываемость которого принята за единицу. В этом случае устанавливается коэффициент размалываемости того или иного материала по уравнению
где — время, необходимое для размола кварца до определенной тонкости помола; — время, необходимое для измельчения испытываемого материала до той же дисперсности, в том же аппарате.
Коэффициент размалываемости клинкера вращающихся печей при измельчении в шаровых мельницах колеблется в пределах 0,67 — 1,41, а клинкера шахтных печей — 1,64 — 2,5. В производстве цемента разные материалы измельчаются преимущественно в шаровых мельницах. В связи с этим и показатели размалываемости материалов изучались главным образом применительно к этим аппаратам.
Размалываемость материалов соотносительно с достигнутой степенью дисперсности, устанавливаемой по удельной поверхности полученного порошка, к затраченной работе. Пападакис (Франция) исчисляет удельную поверхность в см2/г, а работу — в Дж, получая таким образом показатели размалываемости в см2/Дж. Размалываемость неоднородных тел зависит от природы, количественного соотношения и размера зерен, слагающих тело. Для помола клинкера с добавками применяют почти исключительно шаровые мельницы с производительностью до 50 — 100 т/ч. Клинкер размалывают по открытому или замкнутому циклу с применением одностадийного, а иногда и двухстадийного измельчения. На заводах применяют мельницы размерами 4х13,5, 3,2х15, 2,6Х13 м. Их производительность 8— 10% на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч.
В многокамерные мельницы загружают шары нескольких размеров и цильпебс одного или двух размеров. В первую камеру, где дробятся крупные зерна, помещают обычно более крупные стальные шары диаметром 60— 120 мм. Вторая камера заполняется шарами размером 40— 60 мм, а третья — мелкими шарами 20 — 30 мм или цилиндириками (цильпебсом) размером 20 — 25 мм. Расход мелющих тел при помоле клинкера вращающихся печей составляет ориентировочно 0,8 кг на 1 т продукта. Мельницы футеруют сортирующими броневыми плитами. Барабан делят обычно на две камеры, причем камеры грубого и среднего измельчения объединяют в одну и загружают ее шарами различного диаметра. Сортирующие броневые плиты имеют ступенчатый профиль. Коснусно-ступенчатую кулачковую футеровку изготовляют ее из специальной хромомарганцевой стали. При помоле материалов наблюдается выделение тепла, вызывающее нагревание мелющих тел и материала до 120 — 1500 С и более, что резко отрицательно сказывается на производительности помольных установок. Вентиляция достигается просасыванием через барабан воздуха со скоростью 0,5 — 0,7 м/с с помощью аспирационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также рукавные фильтры или электрофильтр. Большой эффект дает и впрыскивание воды в камеру мельницы в количестве 1 — 2% массы цемента. Это позволяет повысить производительность мельницы на 10%, снизить температуру со 150 — 200 до 1200 С. Положительно влияет на процесс измельчения введение в материал интенсификаторов помола в виде поверхностно-активных веществ (ПАВ): сульфитно-дрожжевой бражки— СДБ, мылонафта, петролатума, триэтаноламина, контакта Петрова, угля и некоторых других веществ.
Трубные мельницы с открытым циклом измельчения применяют для помола сырьевых материалов, а также клинкера. При помоле до удельной поверхности 2800— 3000 см2/г расход электроэнергии достигает 25—30 кВтч/т продукта.
Для получения цемента с удельной поверхностью3000— 3500 см2/г и выше применяют обычно более экономичные мельницы, работающие в замкнутом цикле с воздушными сепараторами, одно- и двухкамерные. Чаще используют помольные установки с двухкамерными мельницами.
На помольных установках с сепараторами создается возможность получать высокопрочные быстротвердеющие цементы с удельной поверхностью до 3500-4000 см2/г и более при пониженном содержании в них тончайших частиц, быстро теряющих активность. Кроме того, в мельничных установках с сепараторами создаются предпосылки к лучшему охлаждению материала (на 25—35 °С), что положительно сказывается на его измельчении. Эти установки характеризуются большой маневренностью в работе и позволяют выпускать цементы с различной тонкостью помола при постоянных загрузках и размерах мелющих тел.
Более совершенна установка с одной мельницей, имеющей 2 камеры, работающие независимо друг от друга и снабженные каждая своей группой сепараторов. Материал после начального измельчения в первой камере подают в сепаратор, где выделяются частички крупнее 80 — 90 мкм. Их направляют обратно в первую камеру. Частички мельче 80 — 90 мкм направляют во второй сепаратор, где выделяются Фракции крупнее 30 мкм, поступающие на дополнительное измельчение во вторую камеру мельницы. После этого материал из второй камеры идет также во второй сепаратор. Фракции 0 — 30 мкм из этого сепаратора направляют в третий сепаратор, в котором выделяется готовый продукт, а более крупные фракции возвращают во второй сепаратор. Такая достаточно сложная схема сепарирования измельчаемого материала создает возможность получать цементы с удельной поверхностью 3500 — 5000 см2/г при расходах электроэнергии в 1,5 — 2 раза меньше по сравнению с расходами при обычных сепараторных мельницах.
В вибрационных мельницах материал измельчается под действием частых ударов вибрирующих мелющих тел. При этом зерна материала размером не более 1— 2 мм подвергаются отчасти дроблению, но преимущественно истираются между мелющими телами, перемещающимися относительно друг друга в результате колебаний корпуса мельницы (1500—3000 кол/мин). В настоящее время созданы вибромельницы объемом 200, 400 и 750 л. Их используют иногда для домола портландцемента или для измельчения других материалов.
В струйной мельнице материал захватывается струей сжатого воздуха, газа, перегретого пара или их смеси, протекающей с большой скоростью. При этом в результате соударения зерен, взвешенных в газовом потоке, а также истирания происходит их измельчение. Для усиления эффекта измельчения на пути движения взвешенных частиц устанавливают преграды, о которые частицы ударяются.
Особенно эффективно получение с помощью струйной мельницы шлакопортлаидцемента марок 500 и 600. Это авторы объясняют осколочной формой частичек с зазубренными острыми краями, благоприятствующей интенсивному их взаимодействию с водой.
3. Сроки схватывания гипса зависят от свойств сырья, технологии изготовления, длительности хранения, количества вводимой воды, температуры вяжущего вещества и воды, условий перемешивания, наличия добавок и др. Быстрее всех схватывается полуводный гипс, содержащий некоторое количество частичек неразложившегося двугидрата, являющихся центрами кристаллизации и вызывающих ускоренную гидратацию полуводного гипса. Схватывание гипса значительно ускоряется при за-творении его пониженным количеством воды по сравнению с тем, какое требуется для теста нормальной густоты, и наоборот.
Повышение температуры гипсового теста до 40—, 46 °С способствует ускорению его схватывания, а выше этого предела, наоборот, — замедлению. При температуре гипсовой массы 90—100°С схватывание и твердение прекращаются. Это объясняется тем, что при указанных и более высоких температурах растворимость полуводного гипса в воде становится меньше растворимости двугидрата. В результате прекращается переход полугидрата в двугидрат, а следовательно, и связанное с ним твердение. Схватывание замедляется, если гипс применяют в смеси с заполнителями — песком, шлаком, опилками и т. д.
Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в гипс при затворении вводят различные добавки.
По механизму действия В. Б. Ратинов разделяет добавки для регулирования сроков схватывания вяжущих веществ, в том числе и гипсовых, на четыре класса.
Первый класс — это добавки, изменяющие растворимость вяжущих и не вступающие с ними в химические реакции. Схватывание гипса ускоряется, если эти добавки, например NaCl, KC1, Na2S04, усиливают растворимость полугидрата в воде, наоборот, оно замедляется, если добавки (аммиак, этиловый спирт и др.) снижают его растворимость. Некоторые добавки, например NaCl, при одних концентрациях в растворе увеличивают растворимость полугидрата и, следовательно, являются ускорителями, а при других, уменьшая растворимость, являются замедлителями.
Второй класс — вещества, реагирующие с вяжущими веществами с образованием труднорастворимых или ма-лодиссоциирующих соединений. Добавки этого класса (для гипса — фосфат натрия, бура, борная кислота и др.) образуют на поверхности полугидрата защитные пленки из труднорастворимых соединений, в результате чего схватывание гипса замедляется.
Третий класс — вещества, являющиеся готовыми центрами кристаллизации. Для гипсовых вяжущих таковыми являются CaS04-2FI20, СаНР04-2Н20 и др. Они ускоряют схватывание.
У добавок первого и третьего классов имеется «порог эффективности», под которым подразумевают концентрацию добавки, дающую максимальный замедляющий или ускоряющий эффект. Обычно этот эффект достигается при введении добавок в воду затворения в количестве до 2—3 %
Четвертый класс — поверхностно-активные добавки. Они адсорбируются частичками полуводного и двуводного гипса и уменьшают скорость образования зародышей кристаллов. Эти добавки (СДБ, известково-клеевой и кератиновый замедлители и др.) известны как пластификаторы и замедлители схватывания гипса. Адсорбируясь частичками полугидрата, они придают тесту повышенную подвижность и снижают количество воды затворения, необходимой для получения смеси требуемой подвижности.
Для регулирования сроков схватывания строительного гипса и других вяжущих применяют иногда комплексные добавки, состоящие из веществ, принадлежащих к разным классам. Они открывают более широкие возможности в регулировании процесса схватывания вяжущих и создания оптимальных условий для формирования изделий. Например, при совместном введении добавок — электролитов (первого класса) и поверхностно-активных соединений (четвертого класса) — на первом этапе твердения проявляется влияние замедлителя. В течение этого, так называемого индукционного периода, гипсовое тесто обладает пластичностью, но не набирает прочности. В дальнейшем наступает быстрое твердение гипса с такой же скоростью, как и в присутствии одного ускорителя первого класса. Это отчетливо видно на кривых твердения гипса с различными добавками ( 6). Чаще всего для ускорения схватывания строительного гипса применяют двуводный гипс, поваренную соль и сульфат натрия, вводя их в количестве от 0,2 до 3 % по массе полугидрата. Для замедления используют кератиновый и известково-клеевой замедлители, а также СДБ в количестве, не превышающем 0,1—0,5 % (в пересчете на сухое вещество) по массе гипса. Следует отметить, что введение добавок (ускорителей или замедлителей схватывания) обычно отрицательно сказывается на конечной прочности гипсовых изделий. Это выявляется, если их получают из смеси с добавками и без них при одинаковом водогипсовом отношении. Однако введение поверхностно-активных веществ в умеренном количестве (до 0,1—0,3 %) способствует обычно увеличению прочности изделий, так как снижение ими активности гипса компенсируется в этом случае приростом прочности вследствие значительного уменьшения водогипсового отношения .при получении смесей одинаковой подвижности.
Прочность. По ГОСТ 125—79 прочность (3- и а-полу-водного гипса определяют испытанием образцов-балочек размером 4X4X16 см из гипсового теста стандартной консистенции (нормальной густоты). Балочки испытывают через 2 ч после изготовления на изгиб, а их половинки — на сжатие,
Билет №16
1. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.
Портландцементный клинкер — продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.).
По микроструктуре клинкер, получаемый спеканием представляет собой сложную тонкозернистую смесь многих кристаллических фаз и небольшого количества стекловидной фазы.
ХАРАКТЕРИСТИКА КЛИНКЕРА
Портландцементный клинкер может иметь монадобластическую микроструктуру с четкой кристаллизацией влита и белита и равномерным распределением их в объеме клинкерных зерен. Такая структура получается при оптимальных условиях обжига сырьевой смеси, характеризующейся минимальным содержанием кварцевых зерен и высоким коэффициентом насыщения. Клинкеры, характеризующиеся плохой кристаллизацией алита и белита и скоплениями полей нераскристаллизованных минералов имеют микроструктуру, называемую гомеробластическои. Такая структура образуется при обжиге сырьевых смесей с пониженным коэффициентом насыщения, значительным содержанием кварцевых зерен.
Из клинкеров монадобластической структуры при помоле получаются цементы более высокой активности (на 10—
12 МПа) по сравнению с цементами из гомеробластически клинкеров даже при одинаковом химическом составе.
2. Два основных методов грануляции доменных шлаков и их особенность. В зависимости от влажности получаемого продукта используют грануляционнные устройства для мокрой либо полусухой грануляции. У нас часто применяются центральные грануляционные установки для мокрой грануляции большой мощности. Они расположены вне доменного цеха, и жидкий шлак туда доставляют в шлаковозных ковшах с нескольких доменных печей.Широкое распространение получил и способ полусухой грануляции шлаков. В этом случае разложение сульфидов идет менее активно, чем при мокром способе, и выделяется соответственно меньше сероводорода. В последние годы созданы также гидроударный и гидрожелобной способы полусухой грануляции доменных шлаков. Освоен способ припечной (придоменной) грануляции. Влажность шлака мокрой грануляции составляет 20—35% (редко 15%), шлака полусухой грануляции — 5—10%; насыпная плотность тех и других шлаков соответственно 400—1000 кг/м3 и 600—1300 кг/м3. В настоящее время на металлургических заводах применяют два способа грануляции шлаков — мокрый и полусухой. При мокром способе грануляции огненно-жидкие шлаки сливают из шлаковозных ковшей в бассейн с водой. Бассейные установки — прямоугольные бетонные резервуары объемом 450—800 м3 размещают вблизи доменных печей. При соприкосновении струи расплавленного шлака с водой он мгновенно охлаждается, причем под воздействием образующегося пара и выделяющихся из шлака растворенных газов масса распадается на мелкие зерна — гранулы размером до 5—10 мм. При мокрой грануляции на 1 т шлака расходуется 2—2,5 м3 ЕОДЫ. ИЗ бассейнов шлак подают в вагоны и другие транспортные средства с помощью грейферных мостовых или портальных кранов, экскаваторов, скреперных лебедок и т. п.
Мокрому способу грануляции присущи серьезные недостатки: получаемые шлаки имеют высокую влажность (20—30 %), поэтому при их перевозке увеличивается непроизводительная загрузка вагонов; необходимы повышенные затраты теплоты на сушку шлака (до 80 кг условного топлива на 1 т сухого шлака); в зимних условиях вследствие высокой влажности шлаки в вагонах, бункерах и на открытых складах могут смерзаться, что вызывает затруднения в работе, простои вагонов и большие затраты труда на их разгрузку.
Полусухой способ грануляции более эффективен. Его осуществляют в барабанных, гидроударных, гидрожелобных и других установках. Наиболее эффективны гидрожелобные установки. В настоящее время их преимущественно применяют при грануляции шлаков вне доменного цеха.
Для снижения количества воды применяют водовоз-душную грануляцию. Для этого к гидрожелобу через сопло вентилятором высокого давления подают воздух. Расход воды на таких установках около 1,5 м3 на. 1 т шлака; влажность гранулированного шлака 5—7 %.
3.Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые.
• Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса CaSO4-2H2O до температуры 15О...16О°С с частичной дегидратацией двуводного гипса и пере¬водом его в полуводный гипс СаSO4-О.5Н2О.
• Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжи¬гом двуводного гипса при более высокой температуре до 700... 1000°С с полной потерей химически связанной воды и образова¬нием безводного сульфата кальция — ангидрита CaSO4. К низко¬обжиговым относится строительный, формовочный и высокопроч¬ный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и эстрих-гипс.
Гипсовые вяжущие вещества делятся на две группы — низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые 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).
Билет №17
1. Прир. битум может встречаться как в чистом виде так и в «битуминозных породах»(горные породы(известняки или песчаник),пропитанные прир. битумами.Они образ-сь в земной коре в рез-те длит-х процессов окисления и полимеризации нефти,пропитавшей эти осад. горные породы)Битум извлекают из горных пород путем выварки в воде или экстрагирования в орг. Растворителях .Обычно прир. битум пол-ют вываркой в воде асфальтовых пород.АП измельчается до круп-ти 6-10 мм и загр-ся в котел с водой,подкисленной соляной кислотой.При кипячении воды битум размяг-ся и всплывает на пов-ть.Всплывший битум вычерпывают,отделяют от воды,подсушивают.Экстрагирование битума произ-ся реже вследствие неэкон-ти извлечения битума с помощью раств-лей(трихлорэтилен и др)
2. В результате тщательного смешения цементного порошка с водой, взятой в количестве 25 — 45% его массы, получают цементное тесто, называемое иначе пастой. С увеличением количества воды тесто становится подвижнее.
Тесто, изготовленное из цемента или какого-либо другого вяжущего вещества, представляет собой концентрированную водную суспензию, характеризующуюся определенной структурой и соответственно повышенной вязкостью. Такие системы называют вязкопластичными, структурированными.
Возникновение повышенной вязкости относят за счет ван-дер-ваальсовых сил, в той или иной мере связывающих отдельные высокодисперсные частички в суспензии. Разрушение таких структур наступает, в частности, при механическнх воздействиях на систему. При этом структурная вязкость падает и суспензия приобретает способность течь. При прекращении механических воздейсвий структурные связи в системе вновь восстанавливаются, вязкость суспензии повышается и текучее состояние исчезает. Такое явление, характерное, в частности, для структурированных смесей вяжущих с водой, называется тиксотропией. По некоторым данным, в них должны присутствовать частицы размером менее 4 мкм, способные к броуновскому движению и сольватации.
Нормально вязкие системы начинают течь при любом перепаде давления. При структурированных системах необходимо приложить дополнительную силу, чтобы вызвать их течение. Для подобных систем существует предельное значение скорости сдвига, вызывающее переход его из упругопластического состояния в состояние временной текучес
По Бингаму — Шведову состояние подобных систем в процессе установившегося ламинарного течения описывается уравнением
=+
где — напряжение сдвига, Па; — предельное напряжение сдвига, Па; — пластическая вязкость системы с предельно разрушенной структурой; dv/dx — градиент скорости деформации сдвига (течения).
Структурная вязкость зависит как от свойств цементов, так и от концентрации, температуры и продолжительности выдерживания суспензии. В зависимости от В/Ц и продолжительности выдерживания теста изменяются характер и время последующего застудневания при прекращении механических воздействий, а также и структурная вязкость. Для определения структурной вязкости цементных паст и растворов A. Е. Десов предложил вибровискозиметр. Вязкость в нем определяют по скорости всплывания шарика диаметром 20,1 мм и массой 2,82 r в трубке, подвергаемой вибрации с заданной частотой и амплитудой. Пек, являясь поверхностно-активным веществом (ПАВ), способствует значительному уменьшению вязкости цементного теста, а также растворных и бетонных смесей, лучшей их удобоукладываемости, повышению плотности и, следовательно, их качества. Таким же образом на вязкость действуют добавки СДБ и других ПАВ
3. Прочность портландцемента зависит от тонкости помола.
Алит—трехкальциевый силикат содержится в количестве 45...65 %. Это самый важный минерал клинкера, определяющий время твердения, прочность и другие свойства портландцемента . Он твердеет быстро, выделяя большое количество теплоты, обладает самой высокой прочностью по сравнению с другими минералами клинкера.
Белит содержится в количестве 20...35%. Он медленно твердеет, но неуклонно наращивает прочность при длительном твердении цемента.
Трехкальциевый алюминат содержится в количестве 4...12%. Он очень быстро гидратируется и твердеет, выделяя большое количество теплоты, но имеет небольшую прочность ; является причиной сульфатной коррозии бетона
Билет №18
1. Химический состав глиноземистого цемента следующий: Аl2О3 - 30-50%; CaO - 35-45%; SiO2 - 5-15%; Fе2O3 – 5-15 %. Минералогический его состав может существенно меняться в зависимости от химического состава сырьевой смеси и способа производства. Наиболее важными соединениями являются алюминаты кальция: СаО*Аl2О3(СА), 5СаО*3Аl2О3(С5AЗ) и СаО*2АI2О3(СА2). В глиноземистом цементе всегда присутствует однокальциевый алюминат. Он является основным его компонентом. Глиноземистые цементы делятся на высокоизвестковые, содержащие более 40% СаО, и малоизвестковые, в которых СаО менее 40%. В высокоизвестковых цементах наряду с однокальциевым алюминатом присутствует С5А3, а в малоизвестковых – СA2.
Однокальциевый алюминат может образоваться в результате реакций в твердой фазе или путем кристаллизации из расплава. В зависимости от состава и условий образования СА форма его кристаллов бывает различной (призматическая, дендритная, скелетная). Однокальциевый алюминат часто образует твердые растворы с ферритом, хромитом и другими составляющими систему компонентами. В глиноземистых цементах С5А3 встречается главным образом в устойчивой модификации.
В глиноземистом цементе содержатся также 2СаO* SiO2 и геленит - 2СаО*SiO2*АI2О3. Двух кальциевый силикат обычно встречается в зернах круглой формы. Отличаясь медленным твердением, двух кальциевый силикат понижает прочность глиноземистых цементов в первые сроки. Геленит - практически неактивный компонент глиноземистого цемента. В насыщенном известково-гипсовом растворе его активность несколько повышается.
Железосодержащие составляющие встречаются в глиноземистых цементах в виде твердых растворов в пределах составов С6А2F-С2F. Возможно также присутствие 2СаО*Fе2O3, СаО*Fе2О3, Fе3O4 и FеО.
2. Все твердые материалы характеризуются сопротивлением измельчению, на разных ступенях оно может быть различным, что зависит в основном от макроструктуры и физических свойств материала. В производстве вяжущих веществ тонкому измельчению подвергаются лишь хрупкие материалы. Разные твердые материалы дают продукты, характеризующиеся различной степенью дисперсности. Размалываемость клинкера можно оценивать по кварцу, размалываемость которого принята за единицу. В этом случае устанавливается коэффициент размалываемости того или иного материала по уравнению где — время, необходимое для размола кварца до определенной тонкости помола; — время, необходимое для измельчения испытываемого материала до той же дисперсности, в том же аппарате. Коэффициент размалываемости клинкера вращающихся печей при измельчении в шаровых мельницах колеблется в пределах 0,67 — 1,41, а клинкера шахтных печей — 1,64 — 2,5. В производстве цемента разные материалы измельчаются преимущественно в шаровых мельницах. В связи с этим и показатели размалываемости материалов изучались главным образом применительно к этим аппаратам. Размалываемость материалов соотносительно с достигнутой степенью дисперсности, устанавливаемой по удельной поверхности полученного порошка, к затраченной работе. Пападакис (Франция) исчисляет удельную поверхность в см2/г, а работу — в Дж, получая таким образом показатели размалываемости в см2/Дж. Размалываемость неоднородных тел зависит от природы, количественного соотношения и размера зерен, слагающих тело. Для помола клинкера с добавками применяют почти исключительно шаровые мельницы с производительностью до 50 — 100 т/ч. Клинкер размалывают по открытому или замкнутому циклу с применением одностадийного, а иногда и двухстадийного измельчения. На заводах применяют мельницы размерами 4х13,5, 3,2х15, 2,6Х13 м. Их производительность 8— 10% на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. В многокамерные мельницы загружают шары нескольких размеров и цильпебс одного или двух размеров. В первую камеру, где дробятся крупные зерна, помещают обычно более крупные стальные шары диаметром 60— 120 мм. Вторая камера заполняется шарами размером 40— 60 мм, а третья — мелкими шарами 20 — 30 мм или цилиндириками (цильпебсом) размером 20 — 25 мм. Расход мелющих тел при помоле клинкера вращающихся печей составляет ориентировочно 0,8 кг на 1 т продукта. Мельницы футеруют сортирующими броневыми плитами. Барабан делят обычно на две камеры, причем камеры грубого и среднего измельчения объединяют в одну и загружают ее шарами различного диаметра. Сортирующие броневые плиты имеют ступенчатый профиль. Коснусно-ступенчатую кулачковую футеровку изготовляют ее из специальной хромомарганцевой стали. При помоле материалов наблюдается выделение тепла, вызывающее нагревание мелющих тел и материала до 120 — 1500 С и более, что резко отрицательно сказывается на производительности помольных установок. Вентиляция достигается просасыванием через барабан воздуха со скоростью 0,5 — 0,7 м/с с помощью аспирационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также рукавные фильтры или электрофильтр. Большой эффект дает и впрыскивание воды в камеру мельницы в количестве 1 — 2% массы цемента. Это позволяет повысить производительность мельницы на 10%, снизить температуру со 150 — 200 до 1200 С. Положительно влияет на процесс измельчения введение в материал интенсификаторов помола в виде поверхностно-активных веществ (ПАВ): сульфитно-дрожжевой бражки— СДБ, мылонафта, петролатума, триэтаноламина, контакта Петрова, угля и некоторых других веществ. Трубные мельницы с открытым циклом измельчения применяют для помола сырьевых материалов, а также клинкера. При помоле до удельной поверхности 2800— 3000 см2/г расход электроэнергии достигает 25—30 кВтч/т продукта. Для получения цемента с удельной поверхностью3000— 3500 см2/г и выше применяют обычно более экономичные мельницы, работающие в замкнутом цикле с воздушными сепараторами, одно- и двухкамерные. Чаще используют помольные установки с двухкамерными мельницами. На помольных установках с сепараторами создается возможность получать высокопрочные быстротвердеющие цементы с удельной поверхностью до 3500-4000 см2/г и более при пониженном содержании в них тончайших частиц, быстро теряющих активность. Кроме того, в мельничных установках с сепараторами создаются предпосылки к лучшему охлаждению материала (на 25—35 °С), что положительно сказывается на его измельчении. Эти установки характеризуются большой маневренностью в работе и позволяют выпускать цементы с различной тонкостью помола при постоянных загрузках и размерах мелющих тел.Более совершенна установка с одной мельницей, имеющей 2 камеры, работающие независимо друг от друга и снабженные каждая своей группой сепараторов. Материал после начального измельчения в первой камере подают в сепаратор, где выделяются частички крупнее 80 — 90 мкм. Их направляют обратно в первую камеру. Частички мельче 80 — 90 мкм направляют во второй сепаратор, где выделяются Фракции крупнее 30 мкм, поступающие на дополнительное измельчение во вторую камеру мельницы. После этого материал из второй камеры идет также во второй сепаратор. Фракции 0 — 30 мкм из этого сепаратора направляют в третий сепаратор, в котором выделяется готовый продукт, а более крупные фракции возвращают во второй сепаратор. Такая достаточно сложная схема сепарирования измельчаемого материала создает возможность получать цементы с удельной поверхностью 3500 — 5000 см2/г при расходах электроэнергии в 1,5 — 2 раза меньше по сравнению с расходами при обычных сепараторных мельницах.В вибрационных мельницах материал измельчается под действием частых ударов вибрирующих мелющих тел. При этом зерна материала размером не более 1— 2 мм подвергаются отчасти дроблению, но преимущественно истираются между мелющими телами, перемещающимися относительно друг друга в результате колебаний корпуса мельницы (1500—3000 кол/мин). В настоящее время созданы вибромельницы объемом 200, 400 и 750 л. Их используют иногда для домола портландцемента или для измельчения других материалов.
В струйной мельнице материал захватывается струей сжатого воздуха, газа, перегретого пара или их смеси, протекающей с большой скоростью. При этом в результате соударения зерен, взвешенных в газовом потоке, а также истирания происходит их измельчение. Для усиления эффекта измельчения на пути движения взвешенных частиц устанавливают преграды, о которые частицы ударяются.
Особенно эффективно получение с помощью струйной мельницы шлакопортлаидцемента марок 500 и 600. Это авторы объясняют осколочной формой частичек с зазубренными острыми краями, благоприятствующей интенсивному их взаимодействию с водой.
3. Кремнийорганические полимеры — представители элементоорганических высокомолекулярных соединений. Мономерами для кремнийорганических полимеров служат соединения, получаемые взаимодействием кремния с хлористым метилом и этилом (алкилхлорсиланы), и продукты их этерификации спиртами (алкилоксисиланы). Кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны) характеризуются высокой теплостойкостью (более 400°С), водостойкостью, морозостойкостью, эластичностью, устойчивостью к окислению, гидрофобизующей способностью. Недостатками их являются невысокая механическая прочность (предел прочности при растяжении 40... 60 МПа) и слабая адгезия к другим материалам; плотность их 1600...2100 кг/м3.
В строительстве широко используют низкомолекулярные кремнийорганические полимеры в виде жидкостей для придания гидрофобных свойств поверхностям различных строительных материалов. Эти жидкости нетоксичны и удобны в обращении. Гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11 рекомендуются для обработки поверхности бетона, кирпича, асбестоцемента, штукатурки и др. Их используют в виде 5%-го водного раствора. Жидкость ГКЖ-94 отличается более высокой стоимостью и рекомендуется (кроме бетона и кирпича) для обработки гипса, бумаги, картона, тканей, металлов и т.д. Используется в виде 0,5... 10%-й водной эмульсии или раствора в бензине, толуоле, дихлорэтане, четыреххлористом углероде.
Из высокомолекулярных кремнийорганических полимеров в промышленности строительных материалов находит применение полимер К-40, представляющий полиметилфенилсилоксан. Его применяют для изготовления пенопластов, пропиточных составов, лаков, эмалей, красок. Полиорганосилоксановые каучуки (линейные полимеры) используют в виде различных изолирующих и герметизирующих паст и клеев. Кроме того, кремнийорганические полимеры могут применяться для изготовления слоистых пластиков, стеклопластиков и др.
Билет №19
1. Интенсивность твердения смеси вяжущего вещества с водой зависят от свойств исходных материалов, содержания их в смеси, добавок и температурно-влажностных условий, при которых протекают физические и физико-химические процессы.
Существующие в настоящее время теории твердения вяжущих веществ (Ле Шателье, Михаэлиса, А А. Байксва и др.) развивают преимущественно физико-химические представления о механизме образования гидратных соединений и твердения смесей вяжущих веществ с водой при их взаимодействии друг с другом.
1) Ле Шателье предложил кристаллизационную теорию твердения (1887 г.), по которой вяжущее вещество, смешанное с водой, вначале растворяется и далее взаимодействует с ней, образуя гидратные соединения. Будучи менее растворимыми в воде, чем исходное вещество, они образуют пересыщенный раствор, из которого и выпадают в виде„ тонкодисперсных частичек — кристаллитов. Последние, срастаясь и переплетаясь друг с другом, вызывают схватывание и твердение всей системы.
2) По коллоидной теории твердения портландцемента, предложенной Михаэлисом в 1893 г., при смешении цемента с водой вначале образуются пересыщенные растворы гидрата окиси кальция и гидроалюминатов кальция. Они выделяются из раствора в виде осадков кристаллической структуры. Михаэлис считал, что эти осадки активного участия в гидравлическом твердении не принимают. Его основой он считал гелевидную массу, возникающую во время образования гидросиликатов кальция непосредственно на поверхности частичек исходного цемента. Из этой массы, по мнению Михаэлиса, более глубоко расположенные слои цементных зерен отсасывают воду, причем масса уплотняется и обеспечивает твердение системы.
Развитию коллоидной теории твердения в большой мере способствовал Кюль.
3) А. А. Байков в 1923 г. выдвинул теорию твердення вяжущих веществ, в большой мере обобщающую взгляды Ле Шателье и Михаэлиса. По А. А. Байкову, вяжущее в первый период растворяется в воде до образования насыщенного раствора. Второй период характеризуется прямым присоединением воды к твердой фазе вяжущего и возникновением гидратных соединений высокой коллоидной дисперсности без промежуточного растворения исходного материала. Одновременно происходит схватывание массы. В третий период идут процессы перекристаллизации частичек новообразований коллоидных размеров в более крупные, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности.
В последующем развитию теории твердения вяжущих веществ в большой мере способствовали своими исследованиями В. А. Кинд, В. Н. Юнг, П. П. Будников, В. Ф. ~Куравлев, Ю. М. Бутт, П. А. Ребиндер, Н. А. Торопов, Д. Окороков, И. В. Кравченко, Ю. С. Малинин, Э. П. Мчедлов-Петросян, С. М. Рояк, М. И. Стрелков, М. М. "ычев, В. В. Тимашев, М. Ф. Чебуков, А. Е. Шейкин; В. И. Сатарин, Б. В. Волконский и др.
2. При схватывании и твердении пуццоланового портландцемента протекают процессы гидратации клинкерной составляющей и взаимодействия продуктов гидратации с активной минеральной добавкой. В начальный период преимущественное развитие получают гидролиз и гидратация клинкерных зерен. В результате этих первичных процессов образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция.
Наличие активной пуццолановой добавки качественно не меняет характера взаимодействия клинкерных минералов с водой. Однако скорость гидролиза и гидратации C3S, C2S и других минералов возрастает. Это объясняется прежде всего тем, что в тесте из пуццоланового портландцемента на единицу массы клинкера приходится больше воды, чем в тесте из портландцемента. Таким образом происходит более быстрая гидратация зерен клинкера. Кроме того, активная добавка, связывая гид-роксид кальция в нерастворимые соединения, снижает его концентрацию в водном растворе твердеющей цементной массы и тем ускоряет гидролиз содержащихся в клинкере силикатов кальция.
Реакции между продуктами гидратации клинкера и активными компонентами гидравлической добавки — вторичные процессы. Они заключаются прежде всего во взаимодействии Са(ОН),с активным кремнеземом добавки и образовании гидросиликатов с общей формулой CSH(B), по Р. Боггу или С—S-—Н(1), по X. Тейлору.
В данном случае при обычных температурах в зависимости от концентрации оксида кальция в водной среде образуются соединения с основностью 0,8—1,5, т.е. (0,8—1,5) CaO-Si02-pH20. Как отмечалось ранее, возможно также образование гидрогеленита
Окончательный состав продуктов твердения пуццоланового портландцемента в значительной степени зависит от вида и состава активной добавки, ее содержания в пуццолановом портландцементе и условий твердения.
При наличии в пуццолановом портландцементе гипса образуется гидротрисульфоалюминат кальция . Его образование в начальной стадии взаимодействия клинкерных частичек с водой способствует замедлению схватывания цемента. В дальнейшем это соединение, по-видимому, разлагается с переходом трехсульфатной формы в односульфатную ЗСаО-А12О3-Са504*12Н20 и с выделением гипса CaS04-2H20.
3. Производство шлакового цемента включает ряд технологических операций, которые можно разделить на две основные группы. Первая - это операции по производству клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с другими добавками, т.е. приготовление портландшлакового цемента. Получение клинкера - наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости портландшлакового цемента достигает 70-80%. Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой смеси и магазинирования клинкера.
Комплекс операций по получению из клинкера портландшлакового цемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и от правку шлакового цемента потребителю.
Мокрый способ производства шлакового цемента.
Известняк как более твердый материал предварительно подвергается дроблению, а пластичная глина измельчается в присутствии воды в специальных аппаратах (болтушках или мельницах-мешалках). Окончательное тонкое измельчение с получением однородной смеси известняка, глиняного шлама и корректирующих добавок происходит в шаровых трубных мельницах. Хотя компоненты дозируют в мельницы в заданном соотношении, из-за колебаний их химико-минералогических характеристик не удается получить в мельнице шлам состава, отвечающего установленным параметрам. Поэтому необходима специальная технологическая операция по корректировке его состава. После проверки соответствия состава шлама заданным показателям его подают на обжиг во вращающуюся печь, где завершаются химические реакции, приводящие к получению клинкера. Затем клинкер охлаждается в холодильнике и поступает на склад, где также хранятся гипс и активные минеральные добавки. Эти компоненты предварительно должны быть подготовлены к помолу. Активные минеральные добавки высушивают до влажности не более 1%, гипс подвергают дроблению. Совместный тонкий размол клинкера, гипса и активных минеральных добавок в шаровых трубных мельницах обеспечивает получение шлакового цемента высокого качества. Из мельниц цемент поступает в склады силосного типа. Отгружают его либо навалом (в автомобильных и железнодорожных цементовозах), либо упакованным в многослойные бумажные мешки.
В водной среде облегчается измельчение материалов и улучшается их перемешивание. В результате снижается расход электроэнергии (при мягком сырье экономия может достигать 36 МДж/т сырья) и получается более однородная шихта, что, в конечном счете, приводит к росту марки шлакового цемента. Кроме того, при мокром способе упрощается транспортировка шлама и улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Сравнительная простота мокрого способа и возможность получения высокомарочной продукции на сырье пониженного качества обусловили его широкое распространение в цементной промышленности нашей страны. В настоящее время этим способом выпускается около 85% клинкера. В то же время введение в шлам значительного количества воды (30-50% массы шлама) обусловливает резкое повышение расхода теплоты на ее испарение. В результате расход теплоты при мокром способе (5,86 МДж/кг) на 30-40% выше, чем при сухом способе. Кроме того, при мокром способе возрастают габариты и соответственно металлоемкость печей.
Сухой способ производства шлакового цемента.
Последовательность технологических операций производства портландшлакового цемента сухим способом такая же, как и при мокром, однако при подготовке сырьевых смесей имеются существенные отличия, зависящие от влажности и твердости сырья. При переработке сырья повышенной твердости и умеренной влажности принципиальная технологическая схема имеет вид.
Высокая твердость измельчаемых материалов требует предварительного их дробления. Тонкое измельчение материалов может производиться при влажности не более 1%. В природе такое сырье практически не встречается, поэтому обязательная операция сухого способа производства - сушка. Желательно совмещать ее с размолом сырьевых компонентов. На большинстве новых предприятий, работающих по сухому способу производства, в шаровой трубной мельнице совмещаются процессы сушки, тонкого измельчения и перемешивания всех компонентов сырьевой смеси. Из мельницы сырьевая смесь выходит в виде тонкодисперсного порошка - сырьевой муки. В железобетонных силосах производятся корректировка ее состава до заданных параметров и гомогенизация перемешиванием сжатым воздухом. Готовая сырьевая смесь поступает на обжиг. Вращающиеся печи сухого способа производства оборудованы запечными теплообменными устройствами (циклонными теплообменниками). В них за несколько десятков секунд сырьевая смесь нагревается до 700-800°С, дегидратируется и частично декарбонизируется. Завершается обжиг клинкера во вращающейся печи.
Важнейшее преимущество сухого способа более высокий съем клинкера с 1 м³ печного агрегата. Это позволяет проектировать и строить печи по сухому способу в 23 раза более мощные, чем по мокрому. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного рабочего примерно на 40%, уменьшение себестоимости продукции на 10% и сокращение капиталовложений при строительстве предприятий на 50%. Это обусловило интенсивное его распространение в мировой цементной промышленности.
Комбинированный способ производства шлакового цемента.
Наиболее перспективная технологическая схема комбинированного способа производства.
Такая схема позволяет использовать преимущества подготовки сырьевой смеси по мокрому способу и одновременно снизить расход теплоты на обжиг. При этом почти на 30% уменьшается расход топлива и примерно на 10% капитальные затраты по сравнению с мокрым способом, но на 15-20 % повышается расход электроэнергии. Такая схема наиболее реальный путь снижения расхода топлива предприятиями, работающими на сырье высокой влажности. При переводе с мокрого способа производства на комбинированный наиболее сложным является создание и внедрение надежных и высокопроизводительных аппаратов для фильтрации шлама.
Принципиальное отличие этой схемы от схемы сухого способа - это появление дополнительной технологической операции грануляции сырьевой смеси, осуществляемой с добавкой 10-14% воды в специальных аппаратах - тарельчатых грануляторах. Гранулированную смесь с размером зерен 10-15 мм обжигают в шахтных печах или печах с конвейерными кальцинаторами. Этот способ требует несколько большего, чем сухой, расхода теплоты, необходимой на испарение введенной при грануляции воды; не всякая сырьевая смесь способна давать прочные гранулы, не разрушающиеся при обжиге; сложна конструкция используемых печных агрегатов. В то же время обжиг гранулированного сырья позволяет стабилизировать режим работы печей, улучшить теплообмен, повысить качество клинкера.
Билет №20
1. Гидравлическую известь обычно характеризуют гидравлическим или основным модулем (ОМ), представляющим собой отношение процентного содержания по массе оксида кальция к процентному содержанию кислотных оксидов:
ОМ = CaO/(Si02 I- А1203 + Fe203).
Для гидравлической извести численное значение основного модуля колеблется в пределах 1,7—9. В зависимости от этого модуля различают сильногидравлическую и слабогидравлическую известь. У первой гидравлический модуль равен 1,7—4,5, у второй—4,5—9.
Сырьем для производства романцемента служат мергели — природная смесь углекислого кальция и глин. Наиболее желательны мергели с таким соотношением между известняковой и глинистой частями, при котором в процессе обжига не до спекания получается продукт, не содержащий свободной окиси кальция. В романцементе вся окись кальция должна быть связана в силикаты, алюминаты и ферриты кальция.
Этого обычно достигают при применении мергелей со сравнительно невысоким содержанием в них углекислого кальция, характеризующихся гидравлическим модулем, равным 1,1—1,7.
При гидравлическом модуле меньше 1,7 получают романцемент, а если он больше 9, то воздушную известь.
2. Производство воздушной извести состоит из добычи сырья, дробления, сортировки его и обжига обычно в шахтных печах. Сырье и топливо загружают в печь сверху послойно через загрузочное устройство; двигаясь вниз, сырье обогревается отходящими горячими газами, образующимися при сгорании топлива. В средней части шахты (зона обжига), где температура достигает 1000—1200° С, происходит разложение углекислого кальция и образование извести-кипелки по реакции СаСО3-177,7 кДж. Проходя зону обжига, куски извести опускаются постепенно в нижнюю часть печи (зона охлаждения) и выгружаются с помощью специального устройства. Производительность шахтных печей колеблется в широких пределах и составляет в среднем от 25 до 120 т извести в сутки.
Сырьем для производства воздушной извести служат горные породы, содержащие в основном углекислый кальций — мел, известняк, известковые туфы и т.д. Разработку залежей известняка ведут открытым способом с помощью взрывных работ с последующей погрузкой породы на транспортные средства одноковшовыми экскаваторами.
Размеры кусков поставляемой с карьера породы достигают 50 — 60 см и более. Требуемая величина кусков породы, поступающих на обжиг, определяется типом обжигового агрегата. Загружаемый в шахтную печь известняк имеет обычно размеры 60 — 200 мм. При обжиге во вращающихся печах применяют фракции 5 — 20 мм или 20 — 40 мм. Поэтому поступающую с карьера породу необходимо дробить.
Дробленый материал подвергается рассеву на грохотах, что обеспечивает постоянство фракционного состава. Основа получения известковых вяжущих — обжиг карбонатсодержащих пород. При производстве воздушной извести известняк и мел декарбонизируются и превращаются в известь по реакции СаСОз--CaO+ СО2.
Как правило, обжигу подвергают твердые карбонатные породы в виде кусков, но возможна и тепловая обработка меловых шламов. Температура разложения карбоната кальция зависит от парциального давления углекислоты в окружающем пространстве. Разложение СаСО3 начинается уже при 600'С, и с повышением температуры реакция ускоряется. При 900'С парциальное давление углекислоты достигает атмосферного, поэтому данную температуру иногда называют температурой разложения известняка. Дальнейшее повышение температуры значительно увеличивает скорость разложения, но отрицательно сказывается на качестве извести — ухудшает ее реакционную способность вследствие роста размеров кристаллов.
При обжиге кусков в первую очередь декарбонизируются поверхностные слои. Образующаяся известь вследствие высокой пористости и малой теплопроводности тормозит передачу теплоты вглубь кусков. Чем толще слой извести, тем выше его сопротивление проникновению теплоты и тем более высокие температуры нужны для передачи теплоты в глубину. Поэтому практически температура обжига всегда выше теоретической. Ее устанавливают на каждом заводе в зависимости типа печи и других факторов — плотности сырья, наличия примесей, размера частиц (кусков) сырья и т.д. Чем плотнее и чем более крупнокристалличным является сырье, тем выше требуемая температура обжига. Наличие глинистых примесей облегчает удаление СО и снижает температуру обжига. Однако чем больше в извести примесей, тем при более низкой температуре наступает ухудшение ее свойств. Уже при 1000 — 1100'С возникает опасность пережога поверхности кусков извести. В заводских условиях температура обжига карбоната кальция составляет 1050-1200'С, причем под температурой обжига понимают не температуру в печи, а температуру обжигаемого материала.
Диссоциация углекислого кальция — обратимая реакция, протекающая при определенных температурах и соответствующих парциальных давлениях углекислого газа. Установившееся при какой-либо температуре химическое равновесие в системе СаСО3 —СаО + СО2, можно сместить слева направо удалением некоторого количества СО2, что вызывает диссоциацию новых частиц карбоната и выделение дополнительных количеств углекислого газа. Это дает возможность
Обжиг ведут в шахтных или вращающихся печах. Основная задача при обжиге обеспечение максимальной степени декарбонизации СаСО3 приминимальной температуре. Повышение температуры ускоряет реакцию разложения карбоната кальция, но излишне высокая температура обжига негативно сказывается на качестве продукта, так как развивается явление «пережога».
Выгружаемая из печей комовая известь транспортируется на склад вагонетками или транспортерами и хранится в бункерах или силосах.
3. Для более полного удовлетворения специфических требований отдельных видов строительства к свойствам цементов промышленностью организован выпуск особых видов портландцемента. В наименовании этих портландцементов или подчеркиваются их особые свойства (быстротвердеющий, сульфатостойкий, гидрофобный, белый и др.), или указываются области их применения (цемент для бетонных покрытий автомобильных дорог, цемент для производства асбестоцементных изделий, тампонажный цемент и др.), или указывается их отличие от обычных цементов по химическому составу (кремнеземистый и др.).
Билет №21
1. При температурах от 0 до 8С происходит значительное (в 2—3 раза) по сравнению с твердением при обычных температурах замедление этих процессов, а ниже 0°С они почти полностью прекращаются. Повышение же температуры твердеющих растворов и бетонов сопровождается большим ускорением роста прочности. Оно становится достаточно заметным уже при температуре бетонных смесей 30 — 40 °С при их твердении в теплые периоды года.
Резкое ускорение процессов твердения цементов и бетонов наступает при 70—95 °С и особенно при 175— 200 °С и выше. Однако такое интенсивное воздействие температуры на твердение цементов, а следовательно, и бетонов проявляется лишь при наличии в них воды в жидком состоянии. Недостаток воды во время твердения при повышенных температурах не только замедляет процессы гидратации, но и снижает прочность и стойкость бетонов. При полном испарении воды процессы твердения прекращаются.
2 метода тепловлажностной обработки: 1. Предусматривает обработку твердеющего бетона при 70—95 °С и атмосферном давлении. В этом случае бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и т. п. 2. Основан на тепловлажиостной обработке бетонов под давлением насыщенного пара 0,9— 1,6 МПа и при 174,5—200 °С. Во избежание испарения воды из бетонов при температурах, превышающих 100 °С, обработку ведут в замкнутых емкостях, выдерживающих указанные давления (автоклавы, специальные герметические формы).
Обычно с помощью паровой обработки бетонов на современных цементах в течение изотермическою прогрева 8—10 ч при 80—95 °С достигается (сразу после пропаривания) прочность, равная 60—75 % 28-суточиой.
Интенсификации процессов твердения цементов при пониженных температурах способствует введение в них вместе с водой затворения добавок-ускорителей и в первую очередь хлористого кальция в количестве 1 —1,5% массы вяжущего. Если необходимо обеспечить твердение портландцементов при отрицательных температурах, то, по данным С. А. Миронова, В, Н. Сизова и др., целесообразно затворять их водными растворами смеси хлористых натрия и кальция.
Химические добавки применяют иногда для ускорения твердения цементов и бетонов и при обычных температурах. Чаще всего используют хлористый кальций» Прибегают и к хлористому, и к азотно-кислому натрию, в количестве до 1 —1,5 % массы цемента. В первые 1—3 сут они позволяют в 1,5—2 раза повысить прочность твердеющих растворов и бетонов. Вместе с тем следует иметь в виду, что введение их сверх 1,5 % часто вызывает коррозию стали в железобетоне.
Г. П. Иноземцев и В. Б. Ратинов предложили применять в качестве ускорителя твердения цементных бетонов комплексную добавку, представляющую смесь нитрита и нитрата кальция в отношении 1:1. Эта добавка, а также нитрит-нитрат-хлорид кальция (ННХК), вводимые в количестве 1—3 % массы цемента, не только ускоряют его твердение, но и предохраняют от коррозии металл в железобетоне.
2. 1) Стекловатые шлаки макроскопически зеленого цвета, стекло частично раскристаллизовано, в нем наблюдаются минеральные сферолиты. По данным рентгенофазового анализа сферолиты диагностированы как бустамит (Mn, Ca)3Si3O9. В шлифе в основной массе стекла также наблюдаются многочисленные сферолиты размерами от 0.01 мм до 0.05 мм с радиально лучистым строением, которые сложены игольчатыми кристаллами бустамита, окрашенного в бурые цвета (рис. 1а). Также встречаются округлые обособления размером 1-5 мм, которые характеризуются концентрически-зональным строением (рис. 1б): 1) центральная часть - представлена розетковидными, метельчатыми срастаниями бустамита, с размером отдельных зерен от 0.01 мм до 0.1 мм, расположенных относительно друг друга беспорядочно и образующих своеобразную войлочную структуру. В центральной части зерна бесцветны, иногда бледно окрашены в зеленоватые тона; 2) краевая часть - сложена волокнистыми срастаниями того же бустамита, окрашенного в бурые цвета. Помимо того, часто наблюдаются зерна рудного минерала. 2) Кристаллические шлаки имеют цвета от фисташково-зеленого до темно-зеленого. Встречаются шлаки, которые сложены неплотным агрегатом крупных кристаллов, а некоторые шлаки сложены зернистой массой и имеет среднезернистую структуру. На просвет кристаллы бесцветные, прозрачные. Под бинокулярным микроскопом четко видно, что эти кристаллы имеют облик дитетрагональных призм. На основании расшифровки рентгенограммы установлено, что этот минерал относится к группе мелилита и является акерманитом Ca2MgSi2O7. Микроскопически эти шлаки почти полностью раскристаллизованы; содержание стекла в них меньше 5 %. Остальные 95 % приходятся на: акерманит - 70 % и монтичеллит CaMgSiO4 - 25 %. То, что шлак почти полностью раскристаллизован, говорит о медленном остывании и постепенной кристаллизации из высокотемпературного расплава. Акерманит в шлифе представлен крупными, размером до 1-1.5 мм, идиоморфными полигональнымии зернами (кристаллами) (рис. 2а), нередко скелетными, белого цвета. Наряду с кристаллическими образованиями акерманита в шлифе в виде отдельных линзовидных слойков и участков неправильной формы наблюдаются микролиты звездчатой формы и охристые выделения, которые представлены монтичеллитом, который имеет густо-синий цвет (возможно, содержит примесь железа) (рис. 2б). Основная масса шлаков производства силикомарганца представляет собой глухие (глушёные) стекла различных оттенков оливково-зеленого цвета) (обусловленного, видимо, существенной примесью серы) (рис. 3а, б) с многочисленными включениями мелких капель и крупных лепешковидных слитков металла (рис. 4). Из-за обильных включений металлических и сульфидных фаз, именно эти стекловатые шлаки представляют наибольший практический интерес как потенциальное техногенное сырьё для вторичного извлечения полезных компонентов. Поэтому эти шлаковые стекла изучены нами максимально детально на предмет не только химического, но и минерального состава включений в них, поскольку для технологии извлечения и переработки важно знать не только содержание полезного компонента, но его минеральная форма. Из визуально однородного светлого оливково-зеленого шлакового стекла изготовлен аншлиф, изучение которого проведено на растровом электронном микроскопе JSM-6400 (Jeol) с энергодисперсионным микроанализатором Link (Oxford) (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) при увеличениях от 1000 до 7500 крат. Под электронным микроскопом силикатно-марганцевое шлаковое стекло выглядит также однородным материалом с довольно редкими включениями двух типов - металлических и сульфидных. Состав стекла на разных участках почти один и тот же (табл. 2). В нем не обнаружено железо, но отмечается повышенное содержание марганца и серы. С двумя последними элементами связаны две самостоятельные фазы в стекле.
3. ГЦПВ получают, смешивая полуводный гипс (строительный или высокопрочный), портландцемент и ту или иную кислую активную минеральную (пуццолановую) добавку.
Как известно, смеси гипсовых вяжущих веществ с портландцементом при твердении характеризуются неустойчивостью. Установлено, что если в эту смесь вводить надлежащее количество пуццолановых (гидравлических) добавок, содержащих кремнезем в активной форме, то достигаются полная их стабильность и рост прочности при длительном твердении в воздушной или водной среде без разрушительных деформаций.
Роль пуццолановой добавки сводится вначале к снижению концентрации гидроксида кальция и переходу высокоосновных гидроалюминатов кальция (4СаО∙Аl2О3∙13Н2О и ЗСаО∙А12О3∙6Н2О) в более устойчивые низкоосновные. При этом Са(ОН)2 и SiO2 дают гидросиликаты типа CSH(B), по Р. Боггу, или С—S—Н(1), по X. Тейлору.
Такой ход реакции предопределяет неустойчивость трехсульфатной формы ГСАК, а возможно, и его разложение. В последнем случае образуются, по-видимому, односульфатная форма ЗСаО•А12O3•СаSO4- 12H2O, гидрогранаты ЗСаО-Al2О3•nSiО2(6—2n)Н2О, гидросиликоалюминат 3CaO•Al203•CaSi03• 12H2О, гипс CaSО4•2Н2О и их твердые растворы.
Силикаты кальция портландцемента (C3S и C2S) при взаимодействии с водой в этих условиях дают гидросиликаты типа CSH(B) с пониженной основностью, защищающие двуводный гипс от растворяющего действия воды. В большой мере проявляется это защитное влияние на гипс, начиная с 15—20 °/о содержания портландцемента в трехкомпонентной смеси.
В настоящее время используются гипсоцементно-пуццоллановые вяжущие примерно следующего состава (% по массе): полуводиый гипс 75—50, портландцемент 15—25, пуццолановая добавка (трепел, опока, диатомит) активностью не менее 200 мг/г 10—25.
Вместо портландцемента целесообразно применять пуццолановый портландцемент с надлежащим количеством активной гидравлической добавки и, наконец, шлакопортландцемент. Если имеются гранулированные доменные шлаки, то целесообразно изготовлять гипсошлакоцементные вяжущие(ГШЦВ), содержащие 65—40% полуводного гипса или ангидрита, 30—50 % кислого доменного шлака и 5—8 % портландцемента для щелочной активизации вяжущих свойств шлаков. При повышенной основности доменных шлаков возникает необходимость ввода в ГШЦВ также пуццолановых добавок (10—15%) для снижения концентрации гидроксида кальция до безопасных пределов. Концентрация СаО должна быть не выше 1,1 г/л через 5сут и ниже 0,85 г/л через 7 сут. Если концентрация при титровании окажется более высокой, то количество добавки по отношению к цементу увеличивают. Гипсоцементно-пуццолановые и гипсошлакоцементные вяжущие получают тщательным смешением всех составляющих. При этом пуццолановая добавка или доменный шлак должны быть предварительно высушены и измельчены до остатка не более 10 % на сите 008.
Из ГЦПВ, изготовленных на основе строительного гипса, и портландцемента марки 400 и выше можно получать бетоны марок до 20 МПа в зависимости от расхода вяжущего (300— 450 кг/м3) и подвижности бетонных смесей. Коэффициент их размягчения 0,6—0,8. Прочность этих бетонов через 2—3 ч после изготовления достигает 30—40 % марочной.
Бетоны из ГЦПВ с использованием высокопрочного α-гипса имеют через 2—3 ч прочность на сжатие 10— 12 МПа, а через 7—15 сут нормального твердения — 30—40 МПа. Для ускорения твердения изделий из ГЦПВ их можно пропаривать при 70—80 °С в течение 4—6 ч, причем достигаемая прочность составляет 70—90 % конечной. Стальную арматуру в изделиях на ГЦПВ нужно защищать соответствующими покрытиями или добавками NaNO3.
Бетоны и изделия на ГЦПВ характеризуются морозостойкостью 20—50 циклов. По сульфатостойкости эти вяжущие равноценны сульфатостойким портландцементам.
Методом проката на стане или в кассетах готовят панели для устройства стен ванных и душевых комнат, а также санитарно-технических кабин, вентиляционных блоков и т.п. Широко применяют в строительстве панели для верхних покрытий полов жилых зданий. Изделия из ГЦПВ используют также при возведении малоэтажных жилых домов и зданий сельскохозяйственного назначения в суровых условиях эксплуатации. ГЦПВ в смеси с водной эмульсией поливинилацетатного полимера или дивинилстирольного латекеа применяют для отделки наружных и внутренних поверхностей зданий, для крепления керамических плит и других видов отделочных работ. Содержание полимера в отдельных составах колеблется в пределах 5—10 % массы ГЦПВ. Эти композиции характеризуются высокими адгезионными свойствами и долговечностью.
Билет №22
1. Полимеризацией называют реакцию соединения молекул мономера, протекающую за счет раскрытия кратных связей и не сопровождающуюся выделением побочных продуктов.Молекулы мономера, включенные в состав макромолекул, и результате раскрытия двойных связей становятся ее мопомерпыми звеньями. Элементарный состав макромолекул (без учета концевых групп) не отличается от состава мономера.Полимеризация характерна для соединений с кратными связями, число и характер которых в молекуле мономера могут быть различными. Полимеризация всегда сопровождается понижением степени насыщенности реагирующих веществ, уменьшением общего числа молекул и увеличением их средней молекулярной массы. Возможна также полимеризация насыщенных соединений циклического строения, содержащих в цикле гетероатом. В этих случаях при полимеризации происходит размыкание цикла и образование гетероцегшо-го линейного полимера.
К важнейшим полимеризационным полимерам следует отнести полиэтилен,полипропилен,порлиизобутилен,поливинилхлорид,полистирол и др
Полиэтилен – это полимерный материал, который получают путем полимеризации этилена под давлением.
Изготавливают полиэтилен тремя способами:
- при высоком давлении (до 1500 ат);
- при низком давлении (до 1-5 ат);
- при среднем давлении (35-40 ат).
Полипропилен – полимерный материал, полученный путем полимеризации пропилена. Полимеризация при t=70-75?С и давлении 1-1,2 МПа длится 5-6 ч. При этом отделяется белый порошок (полипропилен), который затем промывают спиртом, отжимают и высушивает.
Полиизобутилен – каучукоподобный эластичный материал, являющийся продуктом полимеризации изобутилена. Изобутилен – это газ, получаемый из побочных продуктов при крекинге нефти.
Полистирол – прозрачный материал, обладает почти абсолютной водостойкостью, высокой химической стойкостью
2. Растворимость по окиси кальция высокоосновных гидросиликатов лишь незначительно ниже растворимости чистой гидроокиси кальция, а по сравнению с низкоосновными выше примерно в 5—10 раз. Это приводит к росту дисперсности при переходе высокоосновных гидросиликатов в низкоосновные.
Образование низкоосновных гидросиликатов кальция по вышает прочность и долговечность цементного камня ; при возникновении высокоос новных гидросиликатов его прочность и коррозионная стойкость меньше
3. Передельные металлургические шлаки образуются, в частности, при получении стали из чугуна в мартеновских печах, а также при плавке чугуна в вагранках. Несмотря на большой масштаб выплавки стали, количество получаемых сталеплавильных шлаков сравнительно невелико — 7—10 % массы выплавленной стали, что составляет около 15 млн. т в год. Для производства вяжущих представляют интерес электропечные шлаки от плавки феррохрома и феррованадия с высоким содержанием оксида кальция и кремнезема. В этих шлаках обычно в больших количествах содержится ортоси-ликат кальция, поэтому при охлаждении они рассыпаются в шлаковую муку с образованием 7"QS. Почти все шлаковые минералы, содержащиеся в передельных шлаках черной металлургии, за исключением (3-2СаО Si02 и алюминатов кальция, при обычных температурах не взаимодействуют с водой. Однако при тепловлажностиом воздействии в автоклавах тонкоиз-мельченные основные мартеновские шлаки, шлаки феррохрома, феррованадия и ваграночные шлаки гидратиру-ются и твердеют. Твердение их обусловлено, главным образом, гидратацией в условиях автоклавной обработки {3-C2S и Y-C2S, дающих гидросиликаты типа C2SH(A), a также алюминатов и ферритов кальция, способных образовывать гидрогранаты вида ЗСаО-(А120з-Ре20з) **Si02. • (6—2л:)Н20 и твердые растворы. Введение в шлаки СаО или гипса ухудшает их гидравлические свойства при твердении в автоклаве, по-видимому, вследствие образования высокооснбвных гидросиликатов кальция и замедления гидратации p-2CaO-Si02.
Электротермофосфорные гранулированные шлаки используют при производстве шлаковых цементов, в частности шлакопортландцементов, заменяя доменные шлаки. По ГОСТ 3476—74, в этих шлаках должно содержаться, %: Si02 —не менее 38, CaO + MgO —не менее 43, Р2О5 — не более 2,5. Электротермофосфорные гранулированные шлаки (ЭТФшлаки) представляют собой отходы производства желтого фосфора методом электротермической возгонки, получаемые быстрым охлаждением силикатного расплава, образующегося в электропечах при плавке шихты из фосфорной руды, кварцита и кокса. При выпуске 1 т фосфора получается 10—14 т огненножидкого шлака. Структура шлаков представлена стекловидной фазой (90—98 %) метасиликатного состава, имеющей микронеоднородное строение. Кристаллическая фаза — псевдоволластонит. Химический состав ЭТФшлаков по [38), % по массе: Si02 — 34,0—45,0; А1203 — 1,07—3,29; СаО — 44,7— 50,0; MgO — 0,91—4,38; F' — до 3; Р206 — до 2,5 — свидетельствует о том, что они не могут служить полноценным заменителем традиционных видов алюмосиликатного и железосодержащего сырья.
Топливные гранулированные шлаки. Топливные гранулированные шлаки образуются при пылевидном сжигании каменных углей при 1500—1700°С и удалении минеральной их части из топки в виде шлакового расплава, который затем гранулируют, сливая в воду. Выход таких шлаков в стране составляет около 5 млн. т в год. Они имеют сравнительно однородный химический и фазовый состав при незначительном содержании несгоревшего топлива. Наряду с наиболее распространенными топливными шлаками, содержащими до 3—5 % СаО, встречаются гранулированные шлаки (а также золы), количество СаО в которых составляет 20—35 %. Эти шлаки особенно ценны для изготовления вяжущих веществ. Топливные гранулированные шлаки состоят в основном из прозрачного кислого ферроалюмоснликатиого стекла, содержащего до 85—92 % Si02 + Al203-|-FeO. По исследованиям А. В. Волженского, Б. Н. Виноградова, К. В. Гладких, топливные гранулированные шлаки с малым содержанием СаО неспособны самостоятельно твердеть, но гидравлически активны в смеси с известью и гипсом или портландцементом в условиях гепловлаж-ностной обработки (при 90—200°С).
Билет №23
1. Активными минеральными добавками называют тонкоизмельченные природные или искусственные материалы, вводимые в известковые вяжущие и цементы для улучшения их свойств и придания специальных качеств.2 вида: Природные и искусственные. Природными считают добавки, получаемые из пород осадочного и вулканического происхождения. Они относятся к так называемым кислым добавкам. Природными минеральными добавками осадочного происхождения являются диатомиты, трепелы, опоки и глиежи. Истинная плотность диатомитов, трепелов и опок колеблется в пределах 1,8—2,4 г/см3. Ср. плотность диатомитов и трепелов- 400-1000кг/м3, причём у диатомитов она выше, чем у трепелов. Опоки обладают большей ср. плотностью-1200-1600кг/м3Введение кислых добавок в портландцемента способствует улучшению ряда его технических свойств (водостойкости, сульфатостойкости), снижает экзотермию. К природным минеральным добавкам вулканического происхождения относят вулканические пеплы, туфы, пемзы, трассы и др. Истинная плотность вулканических пород колеблется в пределах 2,3—2,6 г/см3. Средняя плотность туфов (в куске) равна 1200 — 1500, трассов—1800—2000 и пемзы — около 500 кг/м3.К добавкам этого рода относят активные кремнеземистые отходы, обожженные глины (глинит; цемянки; пылевидные отходы, образующиеся при обжиге керамзита и аглопорита; горелые породы), топливные золы и шлаки.Кремнеземистым отходам присущи значительные колебания по химическому составу. Они, в частности, нередко содержат повышенное количество серного ангидрида.Цемянка, глинит, керамзит, аглопорит, горелые породы представляют собой обожженную глину. Их плотность 2,3—2,6 г/см3. Цемянка — порошок, получаемый тонким измельчением боя кирпича, черепицы и т. п. Глинит— тонкий порошок измельченный специально обожженной при 600—800 °С глины с повышенным содержанием каолинита. Обжиг ведут до возможно полного превращения химически малоактивного каолинита в метакаолинит Al203-2Si02, обладающий значительной активностью при взаимодействии с гидроксидом кальция и водой. Для каждой глины имеется своя оптимальная температура обжига, выше и ниже которой химическая активность обожженного продукта заметно снижается. Керамзит и аглопорит — легкие заполнители бетонов, получаемые в виде вспученных пористых гранул или кусков путем обжига глинистых материалов при 1000— 1200 °С. Пылевидные частицы, образующиеся при обжиге керамзита и аглопорита или иногда получаемые специально их измельчением, часто подобно цемянкам обладают свойствами активных минеральных добавок. Горелые породы получаются в результате обжига глин, содержащихся в так называемых пустых породах, сопровождающих угольные месторождения и выбрасываемых в отвалы (терриконы) при добыче угля. Горелые породы характеризуются обычно значительной неоднородностью по степени обжига, что отрицательно отражается на их свойствах как активной гидравлической добавки.Топливные шлаки и золы представляют собой минеральные отходы сжигания различных видов каменного угля, сланцев и торфа. Шлаками обычно считают топливные отходы в виде спекшихся плотных и ноздреватых кусков и зерен размерами более 0,3—0,5 мм. Рыхлые дисперсные материалы с частицами менее 0,3 мм называют золами. Если при пылевидном сжигании топлива минеральная часть в расплавленном состоянии резко охлаждается, то получается топливный гранулированный шлак стекловидной структуры в виде зерен размером до 7—10 мм.Шлаки и золы с повышенным содержанием оксида кальция (до 10—20 % и выше) в ряде случаев представляют собой медленнотвердеющие вяжущие вещества. Плотность топливных шлаков и зол 2,2—2,8 г/см3. Насыпная плотность шлаков 700—1000 и зол 500— 1000 кг/м3.
2. Смешивая портландцемент или глиноземистый цемент с высокопрочным или строительным гипсом и высокоосновным гидроалюминатом в точно установленных соотношениях по массе, получают водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ). Измельчением смеси портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, двуводного гипса и гидравлической добавки изготавливают расширяющийся портландцемент (РПЦ). Предложены гипсоцементно-пуццолановые (ГЦПВ) и гипсошлакоцементно-пуццолановые вяжущие (ГШЦПВ), представляющие собой смеси строительного или высокопрочного гипса с портландцементом или шлакопортландцементом и пуццолановой добавкой.
Для обеспечения водонепроницаемости, снижении трещинообразования создаются безусадочные и расширяющиеся вяжущие вещества и бетоны.
В настоящее время существует много видов расширяющихся цементов, получаемых на основе глиноземистого цемента или портландцемента. Цементы на основе глиноземистого цемента быстро схватываются и твердеют, цементы же на основе портландцемента твердеют медленнее.
Для всякого вяжущего вещества имеется такое оптимальное, присущее только ему водовяжущее отношение (или оптимальная концентрация вяжущего в системе), при котором в принятых условиях длительного твердения обеспечивается оптимальная долговечность системы (растворов, бетонов). Обычные бетоны на цементных, гипсовых вяжущих, как правило, готовятся при В/В = 0,4...0,6, т. е. больших оптимального. Это предопределяет их общеизвестные деформативные свойства с повышенными значениями усадки.
Но по мере уменьшения В/В в этих композициях (а также в композициях других вяжущих) за пределы оптимального они будут переходить сначала в класс безусадочных, а затем в класс расширяющихся и даже саморазрушающихся при свободном расширении или напрягающих при гидратации в «замкнутом» объеме.
При разработке новых сверхбыстротвердеющих вяжущих веществ, а также безусадочных, расширяющихся, напрягающих цементов исследователи часто обращаются к безводным веществам, отличающимся быстрым взаимодействием с водой и связыванием ее в гидраты в максимальном количестве, что способствует резкому увеличению содержания твердой фазы, а следовательно, уменьшению пористости системы и увеличению ее прочности при пониженном В/В. При этом необходимо учитывать стойкость гидратов во времени при воздействии атмосферных и иных факторов. Известно, в частности, уменьшение степени оводненности гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с истечением времени твердения системы даже при обычных температурах и переходом воды из твердой фазы в жидкую. В то же время CaS04•2Н20 подвержен разложению с выделением воды лишь при 60 °С и выше, а Са(ОН)2 при 500 °С и более.
Расширяющиеся и напрягающиеся вяжущие, как правило, являются композиционными, в которых основной компонент твердеет при оптимальном или близком к нему В/В, второй же компонент (расширяющаяся добавка) взаимодействует с водой при пониженном В/В, вызывая эффект расширения на начальном этапе твердения системы. Она вводится в строго дозированном количестве с учетом ее свойств с исчерпанием ее содержания после достижения необходимого эффекта в целом. Имеются и трехкомпонентиые расширяющиеся вяжущие, в которых назначение третьего компонента сводится к прекращению действия расширяющейся добавки, в частности переводом ее в иное вещество, не обладающее свойством расширения в принятых условиях твердения системы.
А. Лосье следующим образом классифицирует расширяющиеся цементы по показателям свободного расширения образцов (мм/м) из теста при хранении их в воде: безусадочные (2-5); слегка расширяющиеся (5-6); среднерасширяющиеся (8-10); сильнорасширяющиеся (12-15).
По данным этого же исследователя, расширение бетонов на этих цементах зависит от показателя их расширения (на образцах из теста) и содержания вяжущего в бетоне. Приблизительно можно считать, что свободное расширение бетона при содержании в нем цемента 250— 300 кг/м3составляет 0,1 показателя для образцов из теста; при содержании цемента 400 кг/м3 оно равно 0,2; при содержании цемента 600 кг/м3 — 0,45.
В настоящее время расширяющиеся цементы в значительном количестве выпускаются преимущественно на основе портландцемента. Глиноземистый цемент используют незначительно вследствие его высокой стоимости.
В качестве расширяющихся добавок предложено значительное количество веществ, среди которых наиболее изучены в отношении возможности их применения алюминаты и сульфаты кальция, а также оксиды кальция и магния, обусловливающее быстрого образования гидротрисульфоалюмината кальция ЗСаО•Al203•3CaS04•31H20. При этом одним из компонентов клинкера является 3(CA)•CaS04, обусловливающий расширение цемента при взаимодействии с водой. Изготовление расширяющегося цемента в этом случае сводится к совместному помолу обычного портландцементного клинкера с клинкером, содержащим сульфоалюминат кальция, и гипсом. Соотношения между компонентами подбирают таким образом, чтобы получить продукт с требуемым объемным расширением в зависимости от свойств исходных компонентов. По В. В. Михайлову, применяют специально приготовляемые, например из глиноземистого цемента, высококальциевые алюминаты С4АН13 или различные материалы со значительным количеством глинозема (глиноземистые цемент, шлаки и т. п.). Предложено для получения расширяющихся цементов использовать алунитовые породы, содержащие сульфат алюминия и обожженные при 600 °С. Имеется также опыт применения сталерафинировочных шлаков.
Бетоны на цементах с пониженной энергией расширения становятся малоусадочными и даже безусадочными при твердении в среде, благоприятствующей их высыханию. Цементы с повышенной химической энергией расширения дают возможность изготовления самонапряженных бетонов при их твердении в условиях связанного, ограниченного расширения. Такие цементы, обеспечивающие самонапряжение бетона высокой интенсивности в условиях ограниченного увеличения объема, а также натяжение арматуры в железобетоне, называются напрягающими (НЦ). В бетонном элементе на расширяющемся цементе при твердении возникают растягивающие напряжения, но в условиях ограниченного (связанного) расширения бетонный элемент испытывает напряжение сжатия. При высыхании такого элемента и развитии в нем усадочных деформаций уровень напряжений сжатия уменьшается. Тем не менее они остаются достаточно высокими, чтобы предотвратить возникновение трещин.
3. Гидравлическое вяжущее - вяжущее вещество, которое после смешения с водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжает сохранять и наращивать свою прочность в воде. Гидравлические вяжущие применяют в надземных и в подземных гидротехнических и других сооружениях.
Гидравлическими вяжущими являются: известь гидравлическая, романцемент, портландцемент и др. материалы.
Гидравлические свойства этой группы вяжущих обусловлены наличием е их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция. Чем больше в вяжущем таких соединений и чем они более основны, тем сильнее выражены гидравлические свойства и выше прочность вяжущего.
Для воздушной извести этот модуль больше 9, для гидравлической—1,7...9, а для романцемента—1,1...1,7. Однако если температуру обжига сырьевой смеси с гп0^ ^2 довести до 1450°С, то образуются более высокоосновные силикаты кальция и другие соединения, обладающие большой прочностью и гидравличностыо. В результате получают новое вяжущее — портландцемент, обладающий высокой прочностью
Билет №24
1. Продукты дегидратации двуводного сульфата кальция:
Основой производства гипсовых вяжущих веществ является способность двуводного сульфата кальция при нагревании выделять из кристаллической решетки химически связанную (кристаллизационную) воду, т.е. происходит дегидратация, протекающая по следующим реакциям:
CaSO4·2Н2О = CaSO4 + 2Н2O
В зависимости от условий, в которых протекают эти реакции, продукты дегидратации двуводного гипса могут быть представлены различными модификациями.
По данным П.П. Будникова, Д.С. Белянкина и Л.Г. Берга, а также К. Келли, Д. Суттарда и К. Андерсона в системе CaSO4 - Н2О возможно существование следующих модификаций водного и безводного сульфата кальция:
-двугидрат сульфата кальция (двуводный гипс) CaSO4·2H2O;
- α-полугидрат сульфата кальция (α-полуводный гипс) α -CaSO4·Y2Н2О;
- β-полугидрат сульфата кальция (β-полуводный гипс) β-CaSO4·Y2H2O;
- α-обезвоженный полугидрат сульфата кальция α-CaSO4;
- β-обезвоженный полугидрат сульфата кальция β-CaSO4;
- α-растворимый ангидрит α -CaSО4;
- β-растворимый ангидрит β-CaSO4;
- нерастворимый ангидрит (эстрих-гипсом).
Двуводный сульфат кальция CaSO4·2H2O в природе встречается в виде минерала гипса. Химически чистый двуводный гипс содержит: СаО - 32,56 %; SO3 - 46,51 %; Н2О - 20,93 %. Он относится к моноклинно-призматическому классу кристаллов. Кристаллическая структура его представляет собой решетку слоистого строения по плоскости (010) из двухслойных пакетов CaSO4, соединенных слоями Н2О; при этом каждый слой CaSO4 состоит из цепочки атомов Са2+ и группы SO Размещение молекул воды между слоями ионов Са2+ и SO обусловливает их способность полностью или частично выделяться из кристаллов гипса.
При обычных условиях двуводный гипс является термодинамически устойчивой твердой фазой с минимальным значением свободной энергии и находится в равновесном состоянии. При нагревании его происходит изменение равновесного состояния, т.е. его дегидратация.
Основным продуктом дегидратации двуводного гипса является полуводный гипс, образование которого в виде а α- или β-модификации зависит от условий тепловой обработки.
Полуводный сульфат кальция CaSO4·0,5H2O в природе встречается редко и называется бассанитом. Д.С. Белянкин, Л.Г. Берг считают, что α-полугидрат сульфата кальция образуется при обработке двуводного гипса при температуре выше 97–115 °С в среде насыщенного пара и в воде или растворах некоторых солей, т.е. в условиях, при которых вода из двуводного гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Он кристаллизуется в виде хорошо образованных крупных, плотных, прозрачных игл или призм.
При обычном нагревании двуводного гипса при температуре 100–160 °С и удалении из него воды в виде перегретого пара получается β-полугидрат сульфата кальция. Он состоит из мельчайших агрегатов плохо выраженных кристаллов, вследствие чего его частички приобретают структуру со значительной развитой внутренней поверхностью (удельная поверхность Р-полугидрата сульфата кальция в 2–2,5 раза выше, чем α-полугидрата сульфата кальция).
Многие исследователи считают, что α- и β-полугидраты сульфата кальция не имеют различия в строении кристаллической решетки, которая при температуре менее 45 °С - ромбическая, псевдогексагональная, а при температуре более 45 °С - тригонально-трапецеидальная. Кристаллическая решетка состоит из цепей атомов Са2+ и групп SO расположенных параллельно оси С. Вследствие этого образуются пространственные каналы, в которых находится гидратная вода. Кроме этой воды, как утверждают некоторые исследователи, может дополнительно поглощаться «сверхстехиометрическая» вода, количество которой может колебаться. По их мнению, различие в скорости гидратации и теплоте растворения объясняется неодинаковой степенью дисперсности их кристаллов.
По этой причине требуемую подвижность гипсового теста из α-полугидрата сульфата кальция можно получить при меньшем расходе воды, чем из β-полугидрата сульфата кальция. В связи с этим затвердевшее тесто из α-полугидрата сульфата кальция приобретает повышенную плотность и прочность по сравнению с затвердевшим тестом из β-полугидрата сульфата кальция. При одинаковом же водогипсовом отношении прочность затвердевших вяжущих из α- и β-полугидратов сульфата кальция примерно одинакова.
При смешивании с водой гипсовое вяжущее из α-полугидрата сульфата кальция схватывается медленнее, чем из β-полугидрата сульфата кальция, отличающегося повышенной скоростью гидратации вследствие высокоразвитой истинной поверхности частичек последнего.
При нагревании β-полугидрата при температурах 170–180 °С, а α -полугидрата - при 200–210 °С теряется остальная кристаллизационная вода и, по мнению ряда исследователей, они переходят в β- и α-обезвоженные полугидраты.
Дегидратация β- и α-полугидратов не приводит к видимым изменениям структуры.
Кристаллические решетки β- и α -полугидратов сходны с кристаллической решеткой α- и β-обезвоженных полугидратов. Последние нестойки и быстро гидратируются на воздухе до β- и α- полугидратов. По этой причине их существование оспаривается.
При нагревании β-обезвоженного полугидрата до температуры 320–360 °С, а α-обезвоженного полугидрата - до 220 °С и выше их кристаллические решетки изменяются и они переходят в β- и α-растворимые ангидриты. Растворимые ангидриты отличаются от полугидратов более высокой водопотребностью, быстрым схватыванием и пониженной прочностью. Отметим, что некоторые ученые (Флерке и др.) отрицают существование β- и α-растворимых ангидритов, считая, что образуется лишь одна модификация растворимого ангидрита - g-ангидрит, который при нагревании до 450 °С и выше переходит в нерастворимый ангидрит с выделением тепла в количестве от 65,5 до 97,3 Дж/г и сохранением кристаллической решетки.
При дальнейшем нагревании в интервале температур 360–800 °С водные и безводные модификации сульфата кальция при полной перестройке кристаллической решетки переходят в нерастворимый ангидрит. Он трудно растворяется в воде; затворенный водой практически не схватывается и не твердеет.
При нагревании в интервале температур 800–1000 °С нерастворимый ангидрит разлагается на оксид кальция, сернистый газ и кислород. Получаемый при этих температурах продукт состоит из нерастворимого ангидрита и небольшого количества (2–3 %) оксида кальция. Его называют эстрих-гипсом. Под каталитическим воздействием СаО эстрих-гипс приобретает свойства вновь схватываться и твердеть.
2. РЕЗОРЦИНО-АЛЬДЕГИДНЫЕ полимеры, феноло-альде-гидные смолы, получаемые поликонденсацией резорцина или его гомологов сальдегидами
Резорцино-альдегидные смолы-твердые хрупкие в-ва от желтого до темно-коричневого цвета; хорошо раств. в воде и полярных р-рителях. Для смолы на основе СН26 мол. м. 500-600; т. каплепад. 80-90 °С; эти смолы содержат 26-28% своб. резорцина. Гексарезорциновая смола-мол. м. 600-700; т. каплепад. 70-90°; содержит 34-36% своб. резорцина, 1,5% связанного азота; влажность 2-3%; вязкость 50%-ного спиртового р-ра 0,11-0,15 Па-с. Резорцино-фурфурольная смола-мол. м. 800-1000; т. каплепад. 65-100°С;влажность 4-5%; вязкость 50%-ного спиртового р-ра 0,05-0,1 Па-с.Резорцино-альдегидные смолы обладают высокой адгезией к древесине, в меньшей степени-к синтетич. волокнам, пластмассам,цементу, керамике. Их часто модифицируют фенолом, каучуками, полигетероариленами, поливинилацеталями, полиамидами, к-рые вводят на стадии получения или в готовую смолу. Модифицир. смолы проявляют высокую адгезию к металлам, резинам, фторопластам.Резорцино-альдегидные смолы можно отверждать в нейтральной, кислой и слабощелочной среде при 15-150°С; отвердителем служит гл. обр. дополнит. кол-во формальдегида (10-15 мае. ч. пара-форма на 100 мае. ч. смолы или его 50%-ный спиртовой р-р). Св.-ва резорцино-альдегидных смол, отвержденных параформом: раст 70 МПа, модуль упругости 2800 МПа, относит. удлинение 1,3%. Резорцино-фурфурольная смола отверждается без отверди-теля при 160-200 °С.Применяют резорцино-альдегидные смолы в осн. как клеи холодного отверждения, используемые гл. обр. для изготовления несущих деревянных конструкций, и пропиточные составы для всех видов шинного корда и РТИ.
3. По свойствам быстротвердеющий портландцемент отличается от обычного прежде всего более интенсивным твердением в первые 3 суток. Интенсивное твердение цемента в первые сроки возможно при достаточном количестве в нем зерен клинкера тонких фракций (0— 20 мкм). По данным С. М. Рояка, В.З. Пироцкого и др., суточная прочность цемента в основном зависит от содержания зерен клинкера размером менее 10 мкм, а 3-суточная — до 30 мкм. Процентное содержание указанных фракций клинкера в цементе определяет примерно ожидаемую его 1- и 3-суточную прочность.
Через 3 сут твердения в нормальных условиях прочность БТЦ обычно достигает 60—70 % марочной. В последующие сроки твердения интенсивность нарастания прочности замедляется и через 28 сут и более прочностные показатели быстротвердеющего цемента становятся такими же, как и у обычных высококачественных портландцементов.
Интенсивность роста прочности изделий из бетонов на быстротвердеющих цементах возрастает в условиях тепловой обработки при 70—80 °С. При этом через 4—6 ч прочность возрастает до 70—80 % той, какую приобретает бетон в течение 28 сут твердения в нормальных условиях. Более длительное пропаривание, а также тепловлажностная обработка при температурах выше 80 °С приводят обычно в последующем к замедленному росту прочности и ее недобору. Она ниже прочности изделий, твердеющих при обычных температурах в течение 28 сут, поэтому бетоны на таких цементах следует пропаривать при температуре не выше 70—80 °С с короткой выдержкой.
Бетоны на цементах экстра-класса уже через 4—10 ч твердения при 10—15 °С могут набирать до 30—50% марочной прочности. Как известно, последующее замерзание бетона почти не отражается на конечной его прочности после оттаивания.
Билет №25
1. Производство воздушной извести состоит из добычи сырья, дробления, сортировки его и обжига обычно в шахтных печах. Сырье и топливо загружают в печь сверху послойно через загрузочное устройство; двигаясь вниз, сырье обогревается отходящими горячими газами, образующимися при сгорании топлива. В средней части шахты (зона обжига), где температура достигает 1000—1200° С, происходит разложение углекислого кальция и образование извести-кипелки по реакции СаСО3-177,7 кДж. Проходя зону обжига, куски извести опускаются постепенно в нижнюю часть печи (зона охлаждения) и выгружаются с помощью специального устройства. Производительность шахтных печей колеблется в широких пределах и составляет в среднем от 25 до 120 т извести в сутки.
Сырьем для производства воздушной извести служат горные породы, содержащие в основном углекислый кальций — мел, известняк, известковые туфы и т.д. Разработку залежей известняка ведут открытым способом с помощью взрывных работ с последующей погрузкой породы на транспортные средства одноковшовыми экскаваторами.
Размеры кусков поставляемой с карьера породы достигают 50 — 60 см и более. Требуемая величина кусков породы, поступающих на обжиг, определяется типом обжигового агрегата. Загружаемый в шахтную печь известняк имеет обычно размеры 60 — 200 мм. При обжиге во вращающихся печах применяют фракции 5 — 20 мм или 20 — 40 мм. Поэтому поступающую с карьера породу необходимо дробить.
Дробленый материал подвергается рассеву на грохотах, что обеспечивает постоянство фракционного состава. Основа получения известковых вяжущих — обжиг карбонатсодержащих пород. При производстве воздушной извести известняк и мел декарбонизируются и превращаются в известь по реакции СаСОз--CaO+ СО2.
Как правило, обжигу подвергают твердые карбонатные породы в виде кусков, но возможна и тепловая обработка меловых шламов. Температура разложения карбоната кальция зависит от парциального давления углекислоты в окружающем пространстве. Разложение СаСО3 начинается уже при 600'С, и с повышением температуры реакция ускоряется. При 900'С парциальное давление углекислоты достигает атмосферного, поэтому данную температуру иногда называют температурой разложения известняка. Дальнейшее повышение температуры значительно увеличивает скорость разложения, но отрицательно сказывается на качестве извести — ухудшает ее реакционную способность вследствие роста размеров кристаллов.
При обжиге кусков в первую очередь декарбонизируются поверхностные слои. Образующаяся известь вследствие высокой пористости и малой теплопроводности тормозит передачу теплоты вглубь кусков. Чем толще слой извести, тем выше его сопротивление проникновению теплоты и тем более высокие температуры нужны для передачи теплоты в глубину. Поэтому практически температура обжига всегда выше теоретической. Ее устанавливают на каждом заводе в зависимости типа печи и других факторов — плотности сырья, наличия примесей, размера частиц (кусков) сырья и т.д. Чем плотнее и чем более крупнокристалличным является сырье, тем выше требуемая температура обжига. Наличие глинистых примесей облегчает удаление СО и снижает температуру обжига. Однако чем больше в извести примесей, тем при более низкой температуре наступает ухудшение ее свойств. Уже при 1000 — 1100'С возникает опасность пережога поверхности кусков извести. В заводских условиях температура обжига карбоната кальция составляет 1050-1200'С, причем под температурой обжига понимают не температуру в печи, а температуру обжигаемого материала.
Диссоциация углекислого кальция — обратимая реакция, протекающая при определенных температурах и соответствующих парциальных давлениях углекислого газа. Установившееся при какой-либо температуре химическое равновесие в системе СаСО3 —СаО + СО2, можно сместить слева направо удалением некоторого количества СО2, что вызывает диссоциацию новых частиц карбоната и выделение дополнительных количеств углекислого газа. Это дает возможность
Обжиг ведут в шахтных или вращающихся печах. Основная задача при обжиге обеспечение максимальной степени декарбонизации СаСО3 приминимальной температуре. Повышение температуры ускоряет реакцию разложения карбоната кальция, но излишне высокая температура обжига негативно сказывается на качестве продукта, так как развивается явление «пережога».
Выгружаемая из печей комовая известь транспортируется на склад вагонетками или транспортерами и хранится в бункерах или силосах.
2. Технологическая схема производства сульфатостойких портландцементов не отличается от технологии получения портландцемента, однако при их выпуске осуществляется особо строгий производственный контроль. При подборе химико-минералогического состава сульфатостойкого портландцемента учитывали результаты исследований коррозиеустойчивости цементов различного состава при твердении в агрессивных средах.
Для повышения стойкости цемента при действии сульфатных растворов большое значение имеет минералогический состав исходного клинкера. Исследования показали, что сульфатостойкость портландцемента достигается при пониженном содержании С3А и умеренном количестве C3S. Исследовалась коррозиеустойчивость синтетических клинкерных минералов в растворах сульфатов натрия, кальция и магния; показателем явилось время, необходимое для получения опасного расширения до 0,5% особо тощих цементных растворов состава.
Установлено также, что положительное влияние на сульфатостойкость оказывает добавка 10% трепела. Можно видеть, однако, что одно лишь понижение содержания С3А в исходном клинкере не обеспечивает сульфатостойкость портландцемента. Это объясняется тем, что при низком содержании С3А в цементе возможна не только гидросульфоалюминатная, но и гипсовая коррозия, поскольку гидратация C3S приводит к образованию значительного количества гидроксида кальция, создающего благоприятные условия для кристаллизации гипса. Так, например, цемент, содержащий 41% C3S и 5% С3А (без добавки трепела) обнаруживает при твердении в растворе сульфата натрия с концентрацией до 4000 мг/л большую коррозиеустойчивость, чем цемент с 3% С3А и 52% C3S, а также с 4% С3А и 48% C3S. Поэтому для снижения химической агрессии важно также по возможности уменьшать содержание C3S.
Известное значение имеет количество C4AF. Если его много, то цемент оказывается чувствительным к действию сульфатов, но он, несомненно, более устойчив, чем кристаллический С3А. При нормировании состава сульфатостойкого портландцемента необходимо также учитывать и то, что он должен обладать повышенной морозостойкостью и пониженной экзотермией. При оценке сопротивляемости цементов попеременному действию замораживания и оттаивания при наличии сульфатной агрессии следует учитывать, что при испытаниях оттаивание образцов в агрессивной среде резко снижает показатели моростойкости. Так, например, наши исследования показали, что образец портландцементпого раствора 1:3 при оттаивании в пресной воде выдерживает более 200 циклов, а при оттаивании в морской — только 30 циклов.
В теплом климате, где морозостойкость не играет заметной роли, в зонах бетона, находящихся в переменном уровне воды, происходит попеременное насыщение агрессивной водой бетона и последующее его высушивание. При этом проявляется также совокупное действие физических и химических факторов агрессии. Основная причина разрушения в данном случае кроется в действии преимущественно физических факторов, которые вызывают оседание солей агрессивной среды в порах цементного камня и их кристаллизацию, сопровождающуюся значительными объемными деформациями.
Повышение сульфатостойкости цементов, которое наблюдается при замене С3А на C4AF, увеличении количества стекловидного С3А за счет кристаллического С3А, введении активных минеральных добавок и пропаривании объясняется образованием гидрогранатов, устойчивых к действию сульфатов. Установлено, что с повышением температуры возможны более сильные разрушения.
Пропаривание несколько улучшает, а запаривание в автоклаве значительно повышает сульфатостойкость. Проводились исследования, в которых устанавливалось время, необходимое для того, чтобы наступало расширение при твердении в сульфатных растворах цементных образцов состава 1:10, предварительно твердевших в течение 24 ч в воде, а также при обработке насыщенным паром при атмосферном и повышенном давлении.
Относительно низкую сульфатостойкость можно повысить введением золы-уноса. Сульфатостойкие цементы обладают по сравнению с обычным повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивности твердения в начальные сроки.
По механической прочности цементы подразделяются на марки: 300, 400 и 500. Наибольшим пределом прочности при изгибе — 6,0 МПа — обладает сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками марки 500. Сульфатостойкий шлакопортландцемент характеризуется более высоким коэффициентом коррозионной стойкости.
Сульфатостойкие портландцемента характеризуются более низким выделением тепла при гидратации и применяются, главным образом, в массивных элементах гидротехнических сооружений, где требуется пониженная экзотермия. В некоторых странах выпускаются специальные низкотермичные цементы; у нас сульфатостойкие портландцемента являются и низкотермичными, поскольку содержание в них наиболее «термичных» клинкерных фаз — С3А и алита ограничивают за счет соответствующего увеличения количества белита и алюоферрита кальция.
Объем производства этих видов цемента ограничен в связи с тем, что на большинстве цементных заводов нет глинистого компонента с низким содержанием глинозема, при котором в процессе обжига на беззольном топливе можно получать клинкер, содержащий менее 5% 3СаО-Аl2O3. Сложность задачи получения сульфатостойкого клинкера состоит еще в том, что в нем ограничивается и содержание C4AF, так что количество оксида железа в клинкере должно быть также умеренным.
Удельная поверхность цемента должна быть обычной (2500—3000 см2/г). Следует обеспечить получение цементного камня, отличающегося пониженной усадкой, а также высокой плотностью и водонепроницаемостью и соответственно повышенной морозостойкостью и сульфатостойкостью. Заметное влияние на повышение морозостойкости сульфатостойких портландцементов при испытании в бетоне оказывают длительность предварительного твердения до начала испытаний, значение В/Ц и удельный расход цемента. А. М. Подвальный, развивая представления о морозном разрушении бетона, показал, что увеличение объема цементного камня в бетоне приводит к повышению его морозостойкости.
В особо суровых условиях попеременного замораживания и оттаивания в морской воде при большой частоте циклов для достижения высокой морозостойкости в состав цемента или бетона вводят добавки. Это поверхностно-активные вещества: сульфитно-дрожжевая бражка, мылонафт, смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), 50%-ная кремнийорганическая эмульсия ГКЖ-94 и др. При испытании пропаренных образцов бетона на сульфатостойком портландцементе в суровых условиях Баренцева моря были получены весьма благоприятные результаты при введении в его состав 0,01—0,05% СНВ от массы цемента. Аналогичный эффект получен в тех же условиях агрессии при применении 0,04—0,08% добавки ГКЖ-94. Особо высокая морозостойкость достигается при комплексных добавках СДБ и ГКЖ-94, СДБ и СНВ.
Сульфатостойкий портландцемент предназначается для бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и других сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии, при систематическом многократном попеременном замораживании и оттаивании либо увлажнении и высыхании. Для подводных частей морских и океанских сооружений технически более рационально и экономично применять сульфатостойкий шлакопортландцемент. Нормативными документами допускается применение сульфатостойкого портландцемента в бетонах различной плотности для напорных и безнапорных сооружений при различной степени фильтрации грунта и агрессивности жидкой среды, характеризуемой высокой концентрацией ионов SO4-.
3. Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО • А1203).
Получение. Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и известняки.
Бокситы - горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А1203 • пИ20) и примесей (в основном Fe203, Si02, СаО и др.).
Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с высоким содержанием А1203 очень немного.Производство глиноземистого цемента более энергоемко, чем производство портландцемента.
Клинкер глиноземистого цемента получают либо обжигом до плавления брикетов в электрических или доменных печах при температуре 1400...1500 °С, либо обжигом шихты до спекания во вращающихся печах при температуре 1200... 1300 °С. Затем следует тонкий размол продукта, который сильно затруднен из-за его высокой твердости.
Состав. Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, следующий: СаО - 35...45 %; А1203- 30...50; Fe203 - 0...15; Si02 - 5... 15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает одно-кальциевый алюминат СаО • А1203 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют: СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением; в качестве неизбежной балластной примеси - геленит 2СаО ■ А1203 - 2Si02.
Применение. Глиноземистый цемент целесообразно использовать при аварийных и срочных работах, при зимнем бетонировании и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водостойкость и водонепроницаемость.
Специальная область применения глиноземистых цементов -жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первЫх, в продуктах твердения этого цемента отсутствует Са(ОН)2 (при нагреве переходит в СаО, который при контакте с водой гасится с увеличением объема) и, во-вторых, при высокой температуре (700...800 °С) между продуктами твердения цемента и заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал.
Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают совместным помолом глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %) и высокоосновного гидроалюмината кальция C4AHi3 (10 %). Он является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим веществом (RcyK через 6 ч - не менее 7,5 МПа, через 3 сут. - не ниже 30 МПа). Линейное расширение твердеющего цемента на воздухе составляет в возрасте 1 сут. не менее 0,05 %, в возрасте 28 сут. -не менее 0,02 %. Цемент используют при восстановлении железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, зачеканки трещин и стыков.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают совместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и двуводного гипса (30 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схватывания не позднее 4 ч от начала затворения. При необходимости могут использоваться замедлители сроков схватывания -ЛСТ, бура, уксусная кислота и др. Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при твердении на воздухе составляет в возрасте 28 сут. не менее 0,1 %. Предел прочности при сжатии через 1 сут. твердения составляет 35 МПа для марки 400 и 45 МПа - для марки 500. Марки цемента соответствуют трехдневному возрасту. Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент применяют для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, при бурении скважин и т. п. Он обладает морозо- и атмосферостойкостью в растворах и бетонах, изготовляемых на его основе.
Напрягающийся цемент (НЦ) получают совместным помолом клинкера портландцемента (65...75 %), двуводного гипса (6... 10 %) и высокоглиноземистого компонента (13...20 %)• Сроки схватывания: начало - не ранее 30 мин, конец - не позднее 4 ч. Прочность через' 1 сут. - не менее 15 МПа, через 28 сут. - не менее 50 МПа.
Напрягающий цемент обладает способностью к значительному расширению (до 4 %) при твердении в состоянии цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает после отвердевания в арматуре предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользуются при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развиваемого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расширения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напрягающий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента (400 и 500) определяются испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора состава 1 : 1 в возрасте 28 сут.
Напрягающий цемент применяют для изготовления конструкций из самонапряженного железобетона, а также для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов и т. д.
Перспективная область применения бетонов и растворов на расширяющихся и безусадочных вяжущих - бесшовные тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади. С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности гарантирует трещиностойкость покрытия. Быстрое твердение и защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое количество воды для протекания полной гидратации без какого-либо специального ухода.
Билет №26
1. Производство шлакового цемента включает ряд технологических операций, которые можно разделить на две основные группы. Первая - это операции по производству клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с другими добавками, т.е. приготовление портландшлакового цемента. Получение клинкера - наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Доля клинкера в стоимости портландшлакового цемента достигает 70-80%. Производство клинкера состоит из добычи сырьевых материалов, дробления, помола и смешивания их в определенном соотношении, обжига сырьевой смеси и магазинирования клинкера.
Комплекс операций по получению из клинкера портландшлакового цемента включает следующие технологические процессы: дробление клинкера, сушку минеральных добавок, дробление гипсового камня, тонкое измельчение клинкера совместно с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и от правку шлакового цемента потребителю.
Мокрый способ производства шлакового цемента.
Известняк как более твердый материал предварительно подвергается дроблению, а пластичная глина измельчается в присутствии воды в специальных аппаратах (болтушках или мельницах-мешалках). Окончательное тонкое измельчение с получением однородной смеси известняка, глиняного шлама и корректирующих добавок происходит в шаровых трубных мельницах. Хотя компоненты дозируют в мельницы в заданном соотношении, из-за колебаний их химико-минералогических характеристик не удается получить в мельнице шлам состава, отвечающего установленным параметрам. Поэтому необходима специальная технологическая операция по корректировке его состава. После проверки соответствия состава шлама заданным показателям его подают на обжиг во вращающуюся печь, где завершаются химические реакции, приводящие к получению клинкера. Затем клинкер охлаждается в холодильнике и поступает на склад, где также хранятся гипс и активные минеральные добавки. Эти компоненты предварительно должны быть подготовлены к помолу. Активные минеральные добавки высушивают до влажности не более 1%, гипс подвергают дроблению. Совместный тонкий размол клинкера, гипса и активных минеральных добавок в шаровых трубных мельницах обеспечивает получение шлакового цемента высокого качества. Из мельниц цемент поступает в склады силосного типа. Отгружают его либо навалом (в автомобильных и железнодорожных цементовозах), либо упакованным в многослойные бумажные мешки.
В водной среде облегчается измельчение материалов и улучшается их перемешивание. В результате снижается расход электроэнергии (при мягком сырье экономия может достигать 36 МДж/т сырья) и получается более однородная шихта, что, в конечном счете, приводит к росту марки шлакового цемента. Кроме того, при мокром способе упрощается транспортировка шлама и улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Сравнительная простота мокрого способа и возможность получения высокомарочной продукции на сырье пониженного качества обусловили его широкое распространение в цементной промышленности нашей страны. В настоящее время этим способом выпускается около 85% клинкера. В то же время введение в шлам значительного количества воды (30-50% массы шлама) обусловливает резкое повышение расхода теплоты на ее испарение. В результате расход теплоты при мокром способе (5,86 МДж/кг) на 30-40% выше, чем при сухом способе. Кроме того, при мокром способе возрастают габариты и соответственно металлоемкость печей.
Сухой способ производства шлакового цемента.
Последовательность технологических операций производства портландшлакового цемента сухим способом такая же, как и при мокром, однако при подготовке сырьевых смесей имеются существенные отличия, зависящие от влажности и твердости сырья. При переработке сырья повышенной твердости и умеренной влажности принципиальная технологическая схема имеет вид.
Высокая твердость измельчаемых материалов требует предварительного их дробления. Тонкое измельчение материалов может производиться при влажности не более 1%. В природе такое сырье практически не встречается, поэтому обязательная операция сухого способа производства - сушка. Желательно совмещать ее с размолом сырьевых компонентов. На большинстве новых предприятий, работающих по сухому способу производства, в шаровой трубной мельнице совмещаются процессы сушки, тонкого измельчения и перемешивания всех компонентов сырьевой смеси. Из мельницы сырьевая смесь выходит в виде тонкодисперсного порошка - сырьевой муки. В железобетонных силосах производятся корректировка ее состава до заданных параметров и гомогенизация перемешиванием сжатым воздухом. Готовая сырьевая смесь поступает на обжиг. Вращающиеся печи сухого способа производства оборудованы запечными теплообменными устройствами (циклонными теплообменниками). В них за несколько десятков секунд сырьевая смесь нагревается до 700-800°С, дегидратируется и частично декарбонизируется. Завершается обжиг клинкера во вращающейся печи.
Важнейшее преимущество сухого способа более высокий съем клинкера с 1 м³ печного агрегата. Это позволяет проектировать и строить печи по сухому способу в 23 раза более мощные, чем по мокрому. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного рабочего примерно на 40%, уменьшение себестоимости продукции на 10% и сокращение капиталовложений при строительстве предприятий на 50%. Это обусловило интенсивное его распространение в мировой цементной промышленности.
Комбинированный способ производства шлакового цемента.
Наиболее перспективная технологическая схема комбинированного способа производства.
Такая схема позволяет использовать преимущества подготовки сырьевой смеси по мокрому способу и одновременно снизить расход теплоты на обжиг. При этом почти на 30% уменьшается расход топлива и примерно на 10% капитальные затраты по сравнению с мокрым способом, но на 15-20 % повышается расход электроэнергии. Такая схема наиболее реальный путь снижения расхода топлива предприятиями, работающими на сырье высокой влажности. При переводе с мокрого способа производства на комбинированный наиболее сложным является создание и внедрение надежных и высокопроизводительных аппаратов для фильтрации шлама.
Принципиальное отличие этой схемы от схемы сухого способа - это появление дополнительной технологической операции грануляции сырьевой смеси, осуществляемой с добавкой 10-14% воды в специальных аппаратах - тарельчатых грануляторах. Гранулированную смесь с размером зерен 10-15 мм обжигают в шахтных печах или печах с конвейерными кальцинаторами. Этот способ требует несколько большего, чем сухой, расхода теплоты, необходимой на испарение введенной при грануляции воды; не всякая сырьевая смесь способна давать прочные гранулы, не разрушающиеся при обжиге; сложна конструкция используемых печных агрегатов. В то же время обжиг гранулированного сырья позволяет стабилизировать режим работы печей, улучшить теплообмен, повысить качество клинкера.
2. Дегти-орг ВВ,черно-корич цвета,состоящие из высокомолекулярных углеводородов в основном аром. ряда и их соед-й с серой,азотом и кислородом.Дегтями наз-ют продукт сухой перегонки твердых топлив-кам. Угля ,древесины,торфа,горючих сланцев и др орг. Веществ
3. При схватывании и твердении пуццоланового портландцемента протекают процессы гидратации клинкерной составляющей и взаимодействия продуктов гидратации с активной минеральной добавкой. В начальный период преимущественное развитие получают гидролиз и гидратация клинкерных зерен. В результате этих первичных процессов образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция.
Наличие активной пуццолановой добавки качественно не меняет характера взаимодействия клинкерных минералов с водой. Однако скорость гидролиза и гидратации C3S, C2S и других минералов возрастает. Это объясняется прежде всего тем, что в тесте из пуццоланового портландцемента на единицу массы клинкера приходится больше воды, чем в тесте из портландцемента. Таким образом происходит более быстрая гидратация зерен клинкера. Кроме того, активная добавка, связывая гид-роксид кальция в нерастворимые соединения, снижает его концентрацию в водном растворе твердеющей цементной массы и тем ускоряет гидролиз содержащихся в клинкере силикатов кальция.
Реакции между продуктами гидратации клинкера и активными компонентами гидравлической добавки — вторичные процессы. Они заключаются прежде всего во взаимодействии Са(ОН),с активным кремнеземом добавки и образовании гидросиликатов с общей формулой CSH(B), по Р. Боггу или С—S-—Н(1), по X. Тейлору.
В данном случае при обычных температурах в зависимости от концентрации оксида кальция в водной среде образуются соединения с основностью 0,8—1,5, т.е. (0,8—1,5) CaO-Si02-pH20. Как отмечалось ранее, возможно также образование гидрогеленита
Окончательный состав продуктов твердения пуццоланового портландцемента в значительной степени зависит от вида и состава активной добавки, ее содержания в пуццолановом портландцементе и условий твердения.
При наличии в пуццолановом портландцементе гипса образуется гидротрисульфоалюминат кальция . Его образование в начальной стадии взаимодействия клинкерных частичек с водой способствует замедлению схватывания цемента. В дальнейшем это соединение, по-видимому, разлагается с переходом трехсульфатной формы в односульфатную ЗСаО-А12О3-Са504*12Н20 и с выделением гипса CaS04-2H20.
Билет №27
1. Для обжига сырьевой смеси как при мокром, так и при сухом способе производства почти исключительно применяются вращающиеся печи. При сухо» способе производства иногда используют шахтные печи. Длина современных вращающихся печей при мокром способе производства достигает 150 — 185 м и более, а диаметр — 4 — 7 м. В настоящее время основную массу клинкера на заводах обжигают в печах размерами 4,5х170 и 5х185 м. Они рассчитаны на суточную производительность по клинкеру 1200 и 1800 т. Удельный расход тепла составляет 6100 — 7600 кДж/кг, удельный расход электроэнергии по печной установке — 25 — 26 кВт ч/т клинкера. Устанавливают также печи размером 7Х230 м, производительностью до 3000 т/сут. Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера процессами, в результате которых образуются спекшиеся зерна, состоящие из минералов СзS, β-С2S, СзА, С4AF и стекловидной фазы. Необходимо обеспечить условия, способствующие получению клинкера с монадобластической микростуктурой. Этому способствует повышенный коэффициент насыщения сырьевой смеси и оптимальная продолжительность выдержки клинкера в зоне высоких температур. Шлам, попадая в печь, подвергается воздействию дымовых газов, имеющих температуру 300 — 6000 С. Начинается энергичное испарение воды, которое сопровождается постепенным загустеванием шлама. Когда значительная часть воды уже испарилась, образуются крупные комья, которые затем распадаются на более мелкие частицы вследствие ухудшения связующих свойств глиняного компонента, а также разрыхляющего воздействия цепей. При последующем движении материал попадает в область более высоких температур. При 400— 5000 С в материале выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита и других глинистых минералов с образованием, в частности, каолинитового ангидрида Аl2Oз2SiO2. Все эти процессы проходят в печи до температуры материала примерно 600 — 7000 С. Участок печи, где вода испаряется и материал высыхает, называется зоной сушки. Следующая зона, где происходит дегидратация глины и идет дальнейшее нагревание материала до 700 — 8000 С, называется зоной подогрева. Эти две зоны занимают до 50— 55% длины печи. При температуре 750 — 8000 С и выше в материале начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. При 8000 С начинается сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. При реакциях в твердом состоянии между карбонатом кальция и продуктами распада глинистых минералов образуются β-2СаO SiO2, CaO A12O3 и 2СаО Fe203. При 900—10000С резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием окиси кальция в свободном виде и углекислого газа СО2. Участок печи, где разложение углекислого кальция идет наиболее интенсивно (900 — 11000 С), называется зоной кальцинирования. Разложение СаСОз является эндотермической реакцией, идущей с большим поглощением тепла (1780 кДж на 1 кг СаСОз). При температуре материала 1000 — 11000 С и где основная масса CaCO3 уже превратилась в свободную окись кальция и частично в С2S, СА и С2F, резко возрастает интенсивность реакций в твердом состоянии. Реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими. Интенсивное образование этих соединений приводит к интенсивному повышению температуры материала — на 150 — 2000 С. Этот участок печи получил название экзотермической зоны. В зоне кальцинирования возрастает скорость образования C2S, а также перехода СА в С5Аз и далее в СзА. К концу экзотермической зоны температура материала достигает примерно 13000 С. К этому времени он состоит преимущественно из С2S, СзА, С4AF или С2F. При температуре 13000С начинается спекание материала вследствие образования в нем расплава в количестве 20 — 30% объема начавшей спекаться массы. В расплав переходят СзА, С4АF, MgO и СаО, в дальнейшем и двухкальциевый силикат С2S. При этом в жидкой фазе образуется основной минерал портландцемента — трехкальциевый силикат СзS из С2S и СаО. Выделение из расплава C3S сопровождается понижением в нем концентрации С2S. Трехкальциевый силикат выделяется из расплава вместе с небольшим количествами А1203 и MgO, образуя с ними твердыи раствор, который называют алитом. Участок печи, где проходит спекание материала и об зование алита, называется зоной спекания. Здесь матерна„ нагревается примерно от 1 300 до 1 4500 С. Алит и белит характеризуются благоприятной кристаллической структурой, а содержание неусвоенной окиси кальция не превосходит 0,5 — 1%. Температура образования жидкой фазы и ее количество зависят от компонентов сырья, которые в процессе обжига образуют минералы-плавни (С3А, C4AF). Для ускорения процесса клинкерообразования применяют специальные добавки-минерализаторы (фтористый кальций СаF2, кремнефтористые натрий Na2SiF6 или магний MgSiF6, окись железа в виде руды или колчеданных огарков, гипс и фосфогипс). Большой эффект дает введение указанных фтористых солей в количестве 0,5 — 1% массы клинкера. Они понижают температуру спекания на 100 — 1500С. После зоны спекания обжигаемый материал переходит в зону охлаждения. До температуры примерно 13000 С в нем присутствует еще жидкая фаза и продолжается реакция усвоения окиси кальция и образования СзS. Затем жидкая фаза застывает и спекание заканчивается. Последний участок печи, где полученный клинкер охлаждается воздухом от 13000 С до температуры, при которой выходит из печи (1000 — 11000 С), называется зоной охлаждения. Обычно при охлаждении клинкера с 1450 до 13000 С и ниже жидкая фаза в нем застывает частично в виде стекла, частично же при этом происходит кристаллизация из расплава СзА, C4AF, а также MgO (в виде периклаза). Охлажденный клинкер состоит из кристаллов минералов-силикатов и промежуточного вещества, в которое входят стекло, минералы-плавни (С4АF, СзА, С5Аз), а также окиси кальция и магния. Медленно охлажденные клинкеры содержат крупные кристаллы окиси магния (до 30—40 мкм). Обычно из медленно охлажденного клинкера получается цемент с пониженной активностью, что объясняется пони женным содержанием стекловидной фазы. Цементы с повышенным содержанием стекла в клинкере характеризуются повышенной экзотермией.
2. Сроки схватывания гипса зависят от свойств сырья, технологии изготовления, длительности хранения, количества вводимой воды, температуры вяжущего вещества и воды, условий перемешивания, наличия добавок и др. Быстрее всех схватывается полуводный гипс, содержащий некоторое количество частичек неразложившегося двугидрата, являющихся центрами кристаллизации и вызывающих ускоренную гидратацию полуводного гипса. Схватывание гипса значительно ускоряется при за-творении его пониженным количеством воды по сравнению с тем, какое требуется для теста нормальной густоты, и наоборот.
Повышение температуры гипсового теста до 40—, 46 °С способствует ускорению его схватывания, а выше этого предела, наоборот, — замедлению. При температуре гипсовой массы 90—100°С схватывание и твердение прекращаются. Это объясняется тем, что при указанных и более высоких температурах растворимость полуводного гипса в воде становится меньше растворимости двугидрата. В результате прекращается переход полугидрата в двугидрат, а следовательно, и связанное с ним твердение. Схватывание замедляется, если гипс применяют в смеси с заполнителями — песком, шлаком, опилками и т. д.
Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в гипс при затворении вводят различные добавки.
По механизму действия В. Б. Ратинов разделяет добавки для регулирования сроков схватывания вяжущих веществ, в том числе и гипсовых, на четыре класса.
Первый класс — это добавки, изменяющие растворимость вяжущих и не вступающие с ними в химические реакции. Схватывание гипса ускоряется, если эти добавки, например NaCl, KC1, Na2S04, усиливают растворимость полугидрата в воде, наоборот, оно замедляется, если добавки (аммиак, этиловый спирт и др.) снижают его растворимость. Некоторые добавки, например NaCl, при одних концентрациях в растворе увеличивают растворимость полугидрата и, следовательно, являются ускорителями, а при других, уменьшая растворимость, являются замедлителями.
Второй класс — вещества, реагирующие с вяжущими веществами с образованием труднорастворимых или ма-лодиссоциирующих соединений. Добавки этого класса (для гипса — фосфат натрия, бура, борная кислота и др.) образуют на поверхности полугидрата защитные пленки из труднорастворимых соединений, в результате чего схватывание гипса замедляется.
Третий класс — вещества, являющиеся готовыми центрами кристаллизации. Для гипсовых вяжущих таковыми являются CaS04-2FI20, СаНР04-2Н20 и др. Они ускоряют схватывание.
У добавок первого и третьего классов имеется «порог эффективности», под которым подразумевают концентрацию добавки, дающую максимальный замедляющий или ускоряющий эффект. Обычно этот эффект достигается при введении добавок в воду затворения в количестве до 2—3 %
Четвертый класс — поверхностно-активные добавки. Они адсорбируются частичками полуводного и двуводного гипса и уменьшают скорость образования зародышей кристаллов. Эти добавки (СДБ, известково-клеевой и кератиновый замедлители и др.) известны как пластификаторы и замедлители схватывания гипса. Адсорбируясь частичками полугидрата, они придают тесту повышенную подвижность и снижают количество воды затворения, необходимой для получения смеси требуемой подвижности.
Для регулирования сроков схватывания строительного гипса и других вяжущих применяют иногда комплексные добавки, состоящие из веществ, принадлежащих к разным классам. Они открывают более широкие возможности в регулировании процесса схватывания вяжущих и создания оптимальных условий для формирования изделий. Например, при совместном введении добавок — электролитов (первого класса) и поверхностно-активных соединений (четвертого класса) — на первом этапе твердения проявляется влияние замедлителя. В течение этого, так называемого индукционного периода, гипсовое тесто обладает пластичностью, но не набирает прочности. В дальнейшем наступает быстрое твердение гипса с такой же скоростью, как и в присутствии одного ускорителя первого класса. Это отчетливо видно на кривых твердения гипса с различными добавками ( 6). Чаще всего для ускорения схватывания строительного гипса применяют двуводный гипс, поваренную соль и сульфат натрия, вводя их в количестве от 0,2 до 3 % по массе полугидрата. Для замедления используют кератиновый и известково-клеевой замедлители, а также СДБ в количестве, не превышающем 0,1—0,5 % (в пересчете на сухое вещество) по массе гипса. Следует отметить, что введение добавок (ускорителей или замедлителей схватывания) обычно отрицательно сказывается на конечной прочности гипсовых изделий. Это выявляется, если их получают из смеси с добавками и без них при одинаковом водогипсовом отношении. Однако введение поверхностно-активных веществ в умеренном количестве (до 0,1—0,3 %) способствует обычно увеличению прочности изделий, так как снижение ими активности гипса компенсируется в этом случае приростом прочности вследствие значительного уменьшения водогипсового отношения .при получении смесей одинаковой подвижности.
Прочность. По ГОСТ 125—79 прочность (3- и а-полу-водного гипса определяют испытанием образцов-балочек размером 4X4X16 см из гипсового теста стандартной консистенции (нормальной густоты). Балочки испытывают через 2 ч после изготовления на изгиб, а их половинки — на сжатие,
3. Водопотребность портландцемента зависит от многих факторов и, в частности, от его минералогического состава. Чем больше в нем алюминатов кальция, тем она выше. Более тонкое измельчение также несколько увеличивает ее. На водопотребность цемента влияют также и добавки.
От минералогического состава зависит также скорость схватывания цемента. На скорость схватывания цементов значительно влияют и такие факторы, как В/Ц и температура. С увеличением В/Ц и понижением температуры скорости схватывания и твердения уменьшаются и наоборот. Увеличение тонкости помола цемента также способствует увеличению скорости его схватывания.
На прочность и интенсивность ее роста, по ряду данных, значительно влияет стекловидная фаза, фиксируемая быстрым охлаждением клинкера при его выходе из печи. Следует указать и на продолжительность хранения на складах после изготовления, как на фактор, влияющий на активность цементов. Один из важных факторов повышения активности цементов и скорости их твередения – тонкость помола.
На усадку и набухание цементного камня влияет влажность окружающей среды. Также на значение усадки цементного камня, а следовательно, растворов и бетонов влияют состав и свойства цемента.
Большое значение для выносливости бетона против попеременного действия высыхания и увлажнения имеет значение максимальной усадки, определяемой при полном высушивании водонасыщенных образцов; чем она меньше, тем более стоек материал.
Образование трещин на железобетонных конструкциях зависит как от значения температурно-влажностных градиентов, так и от свойств бетона и, в частности, прочности, модуля упругости, предельной растяжимости, показателей усадки, ползучести и др. Определенное значение имеют размер и форма изделий и конструкций
Показатели ползучести приблизительно пропорциональны значению нагрузок, характерных для конструкций. Ползучесть в большей мере зависит от В/Ц. Она уменьшается у цементного раствора или бетона, изготовленных при В/Ц=0,45...0,4. Она в большой степени зависит от достигнутой прочности при твердении цементного камня или бетона перед их нагружением. Чем больше при этом их прочность, тем меньше деформации ползучести после их нагружения. На показатели ползучести влияет и влажность цементного камня или бетона. Опыты показывают, что чем больше влажность бетона, тем больше деформации ползучести; они особенно возрастают у водонасыщенных образцов. Влияние минерального состава цементов на ползучесть проявляется не столь сильно. Ползучесть цементного камня, растворов и бетонов в значительной степени зависит и от условий их твердения.
Билет №28
1. Твердение шлакопортландцемента может быть разделено на два процесса: первичный — гидратация и твердение клинкерной части цемента; вторичный — химическое воздействие продуктов гидратации клинкерной части с доменными гранулированными шлаками. При гидратации трехкальциевого силиката клинкера происходит выделение гидрата оксида кальция, взаимодействующего с глиноземом и кремнеземом шлака, и образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. По сравнению с портландцементом шлакопортландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, но марочная и последующие прочности его примерно одинаковы. С понижением температуры прирост прочности шлакопортландцемента сильно снижается. Повышенная температура при достаточной влажности среды оказывает на твердение шлакопортландцемента более благоприятное влияние, чем на портландцемент.
2. Прир. битум может встречаться как в чистом виде так и в «битуминозных породах»(горные породы(известняки или песчаник),пропитанные прир. битумами.Они образ-сь в земной коре в рез-те длит-х процессов окисления и полимеризации нефти,пропитавшей эти осад. горные породы)Битум извлекают из горных пород путем выварки в воде или экстрагирования в орг. Растворителях .Обычно прир. битум пол-ют вываркой в воде асфальтовых пород.АП измельчается до круп-ти 6-10 мм и загр-ся в котел с водой,подкисленной соляной кислотой.При кипячении воды битум размяг-ся и всплывает на пов-ть.Всплывший битум вычерпывают,отделяют от воды,подсушивают.Экстрагирование битума произ-ся реже вследствие неэкон-ти извлечения битума с помощью раств-лей(трихлорэтилен и др)
3. Хлористый кальций (CaCl2) представляет собой наиболеешироко применяемую и признанную добавку,ускоряющую схватывание цементных растворов всехклассов. Этот продукт широко используется в характеризующихся неглубоким залеганием и пониженной температурой пластах как средство ускорения схватывания и затвердевания тампонажных растворов. Хлористый кальций широко используется в строительстве в качестве противоморозной добавки, а также ускорителя твердения для бетонов и строительных растворов. При добавлении хлорида кальция в состав бетона, наблюдается термическая реакция, т.к. вступая в реакцию с водой реагент "нагревает бетон изнутри", способствуя быстрому схватыванию. Также CaCl2 довольно часто используется в качестве антигололедного реагента для посыпки дорог в зимнее время: вещество вступает в реакцию с молекулами воды, находящимися в твердом состоянии, и препятствует образованию ледовой корочки, которая представляет опасность для пешеходов и автомобилистов, а также облегчает работу по очистке дорог от снега и льда. Для бетона и цементов с добавками хлорида кальция характерно выделение гидроксида кальция наиболее растворимой при контакте с пластовой водой части цементного камня в коллоидном состоянии. Растворению этого соединения способствует также агрессивное действие сероводорода с образованием хорошо растворимых гидросульфидов. При этом значительно повышается диффузионная проницаемость цементного камня; гидросиликаты и гидроалюминаты кальция разлагаются при взаимодействии с сероводородом. За счет сульфат-ионов пластовой воды в цементе кристаллизуется гипс, возникают напряжения в цементном камне. Эти процессы в совокупности резко ухудшают прочностные свойства цементного камня.
Основные особенности
Добавление CaCl2 уменьшает время загустевания, увеличивает начальную прочность и сокращает время, затрачиваемое на ожидание схватывания цементного раствора. Кроме того, эта добавка в малых концентрациях снижает вязкость цементного раствора, в то время как большие концентрации вызывают рост вязкости. Хлористый кальций служит эффективной добавкой при температурах 40 & 120°F (4 & 49°C) в концентрациях
2 & 4% по весу цемента или в равноценных концентрациях в жидком виде 40 галлонов на 100 мешков (2%).
Факторы совместимости
В тех случаях, когда для приготовления раствора используется холодная вода, хлористый кальций следует добавлять непосредственно в воду, а не в сухую цементную смесь.
Преимущества
Добавка хлористого кальция позволяет получить следующий полезный эффект:
• В малых концентрациях она снижает вязкость и
длительность схватывания.
• В повышенных концентрациях она повышает
вязкость и начальную прочность.
• Добавка хлористого кальция выпускается в виде
жидкости, хлопьев и порошка
Билет №29
1. Применение портландцемента в производстве асбестоцементных изделий характеризуется рядом особенностей.
Асбестоцемент — искусственный каменный материал, состоящий из цементного камня, армированного волокнами асбеста. К наиболее распространенным асбестоцементным изделиям относятся волнистые и плоские листы, трубы и соединительные муфты. Асбестоцементные изделия сравнительно легко поддаются механической обработке. Они значительно легче металла и железобетона. Средняя плотность асбестоцемента изменяется от 1400 до 2100 кг/м3, предел прочности при сжатии 40—60 МПа, растяжении 8—15 МПа. Водопоглощение находится в пределах от 10 до 30%. Основные недостатки асбестоцементных изделий — это невысокая ударная прочность и склонность к короблению.
Исходными компонентами для производства асбестоцемента являются асбест, портландцемент и вода.
Асбест встречается в природе в виде минералов-силикатов, имеющих волокнистое строение, из которых в наибольшей мере распространен и используется хризотил-асбест 3MgO-2Si02*2H20. Товарный асбест получают при обогащении асбестовой руды, представленной прожилками хризотил-асбеста в толще пород. В зависимости от длины волокна, степени его распушивания и содержания примесей сопутствующих пород асбест разделяется на сорта и марки. Для производства листовых асбестоцементных изделий используют асбест пятого и шестого сортов, труб — третьего — пятого сортов. Вследствие сильной линейной и крайне слабых боковых связей кристаллов асбест обладает высокой прочностью при растяжении (до 300 МПа) и способностью расщепляться (распушиваться) на тонкие волокна.
Для производства асбестоцементных изделий применяется особый вид портландцемента, свойства которого способствуют процессу фильтрации твердой фазы из асбестоцементной суспензии и ускоренному твердению изделий. Тонкость помола этого цемента характеризуется удельной поверхностью в пределах 2200—3200 см2/г. Содержание свободной СаО в исходном клинкере не должно превышать 1%, СзА—8%, C3S должно быть не менее 52%. Начало схватывания в отличие от обыкновенного портландцемента может наступать не ранее чем через 1,5 ч от начала затворения. Цемент для производства асбестоцементных изделий, как правило, не содержит минеральных добавок и выпускается обычно двух марок —- М400 и М500. При этом на изгиб он испытывается дополнительно в 7-суточном возрасте и должен выдерживать нагрузки соответственно не менее 4,3 и 4,7 МПа.
Технологический процесс получения асбестоцементных изделий включает обминание и распушивание асбеста, тщательное смешивание полученных тончайших волокон с цементом в водной среде и образование суспензии, формование изделий на листо-или трубоформовочных машинах с последующей их тепловой обработкой. Формование заключается в образовании из суспензии на сетчатом цилиндре тонкого слоя асбестоцемента, его обезвоживании и уплотнении. Полученные заготовки волнистых листов подвергают профилированию, а труб — токарной обработке. Состав асбестоцементной массы колеблется в пределах: асбеста 13—17%, портландцемента 83—87% (при . производстве труб содержание асбеста несколько выше, чем для листовых материалов). В некоторых случаях в портландцемент добавляют 30— 40% тонкомолотого кварцевого песка. Волнистые листы изготавливают различного профиля: обыкновенного (ВО), унифицированного (УВ), усиленного (ВУ) и среднего (СВ).
Применение портландцемента в производстве асбестоцементных изделий характеризуется рядом особенностей.
При изготовлении асбестоцементных изделий начальная гидратация цемента протекает при очень высоком водоцементном отношении; в процессе производства из сильно обводненной асбестоцементной массы отфильтровывается, отсасывается и отжимается значительное количество воды. Частички цемента должны быть достаточно тонкими, чтобы удерживаться на волокнах асбеста, вместе с тем излишняя их дисперсность может вызвать повышенную водопотребность вяжущего, отрицательно отражающуюся на обезвоживании и уплотнении изделий. В связи с этим портландцемент для производства асбестоцементных изделий по ГОСТ 9835—66 должен иметь такую тонкость помола, чтобы при просеивании цемента через сито № 008 проходило его не менее 88% и не более 93% массы пробы.
Согласно ГОСТу, клинкер для этого цемента должен содержать: трехкальциевого силиката C3S не менее 50%; трехкальциевого алюмината С3А (ухудшающего фильтрационные свойства асбестоцементной смеси) не более 8%; свободной СаО не более 1% и окиси магния MgO не более 5%. Портландцемент для производства асбестоцементных изделий обычно изготовляют без введения каких-либо добавок, кроме гипса. По согласованию же с потребителем в этот цемент стандартом разрешается вводить не более 3% добавок, улучшающих свойства цемента.
. Начало схватывания этого цемента должно наступать не ранее 1 ч 30 мин, а конец схватывания — не позднее 12 ч от начала его затворения.
По прочностным показателям портландцемент для асбестоцементных изделий делят на марки 400 и 500(при испытании образцов-балочек 40X40X160 мм, изготовляемых вибрированием из малопластичного раствора 1:3, в соответствии с ГОСТ 310—60).
Портландцемент для производства асбестоцемент-ных изделий характеризуется практически такими же строительными свойствами, что и обычный портландцемент, и отличается от него более интенсивным твердением и ростом прочности в начальные сроки.
Этот цемент можно применять и вместо обычного портландцемента соответствующих марок. Не следует использовать его при возведении бетонных и железобетонных конструкций, где не нужны специальные свойства этих цементов (высокая марка, быстрое твердение) .
2. Кремнийорганические полимеры — представители элементоорганических высокомолекулярных соединений. Мономерами для кремнийорганических полимеров служат соединения, получаемые взаимодействием кремния с хлористым метилом и этилом (алкилхлорсиланы), и продукты их этерификации спиртами (алкилоксисиланы). Кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны) характеризуются высокой теплостойкостью (более 400°С), водостойкостью, морозостойкостью, эластичностью, устойчивостью к окислению, гидрофобизующей способностью. Недостатками их являются невысокая механическая прочность (предел прочности при растяжении 40... 60 МПа) и слабая адгезия к другим материалам; плотность их 1600...2100 кг/м3.В строительстве широко используют низкомолекулярные кремнийорганические полимеры в виде жидкостей для придания гидрофобных свойств поверхностям различных строительных материалов. Эти жидкости нетоксичны и удобны в обращении. Гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11 рекомендуются для обработки поверхности бетона, кирпича, асбестоцемента, штукатурки и др. Их используют в виде 5%-го водного раствора. Жидкость ГКЖ-94 отличается более высокой стоимостью и рекомендуется (кроме бетона и кирпича) для обработки гипса, бумаги, картона, тканей, металлов и т.д. Используется в виде 0,5... 10%-й водной эмульсии или раствора в бензине, толуоле, дихлорэтане, четыреххлористом углероде.Из высокомолекулярных кремнийорганических полимеров в промышленности строительных материалов находит применение полимер К-40, представляющий полиметилфенилсилоксан. Его применяют для изготовления пенопластов, пропиточных составов, лаков, эмалей, красок. Полиорганосилоксановые каучуки (линейные полимеры) используют в виде различных изолирующих и герметизирующих паст и клеев. Кроме того, кремнийорганические полимеры могут применяться для изготовления слоистых пластиков, стеклопластиков и др.
3. Портландцементный клинкер обычно получают в виде спекшихся мелких и более крупных гранул и кусков размером до 10 — 20 или до 50 — 60 мм в зависимости от типа печи
Химический состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах. Главными окислами цементного клинкера являются окись кальция СаО; (63-66%)двуокись кремния SiО2„(21-24%)окись алюминия АI2Оз (4-8%)и окись железа Fe2Oз(2-4%), суммарное содержание которых достигает обычно 95 — 97%. Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений в небольших количествах могут входить окись магния MgO, (0.5-5%) серный ангидрид $0з(0.3-1%), двуокись титана Тi02+окись хрома Сг2Оз(0.2-0.5%), окись марганца Мп2Оз, щелочи Na2O + К2О(0.4-1%), фосфорный ангидрид Р2О5 (0.1-0.3%)и др.
Повышенное содержание окиси кальция обусловливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость.
Цементы с повышенным содержанием кремнезема в составе клинкерной части характеризуются пониженной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки; они отличаются повышенными водо- и сульфатостойкостью.
При повышенном количестве АI,Оз, а следовательно, и а алюминатов в составе цементов последние приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки.
Цемент при повышенном содержании глинозема характеризуется меньшими водостойкостью, сульфатостойкостью и морозостойкостью.
Соединения окиси железа способствуют снижению температуры спекания клинкера. Цементы, богатые окисью железа, при низком содержании глинозема ведут себя аналогично высококремнеземистым. Относительно медленно схватываясь и твердея в начальные сроки, они в дальнейшем достигают высокой прочности. Цементы с повышенным количеством окиси железа отличаются высокой стойкостью по отношению к действию сульфатных вод.
Повышенное содержание в клинкере окиси магния вызывает неравномерность изменения объема цемента при твердении.
Ангидрид серной кислоты $0з в виде гипса необходим для регулирования сроков схватывания портландцемента.
Двуокись титана Т10 входит в клинкер с глинистым компонентом сырьевой смеси в количестве 0,1 — 0,5% . При таком ее содержании она способствует лучшей кристаллизации клинкерных минералов; при содержании 2 — 4% Т10,, замещая часть кремнезема, способствует повышению прочности цемента, а при большем содержании снижает ее. Количество окиси марганца Nn,03 в клинкере обычно не превышает 1 — 2% и существенно не влияет на физико-механические свойства цемента.
Фосфорный ангидрид Р,О, и окись хрома Сг,Оз в небольшом количестве (0,1 — 0,3%) оказывают легирующее действие на клинкер, увеличивая интенсивность твердения цемента в первые сроки и повышая его конечную прочность. При большем их количестве (1 — 2%) скорость твердения цементов замедляется, а прочность снижается.
Щелочи К,О + Na,О обычно присутствуют в клинкерах в количестве до 0,5 — 1%, причем содержание К,О, как правило, в несколько раз больше, чем Ма,О. Если щелочей более 1%, то они вызывают непостоянство сроков схватывания цемента и образование выцветов на поверхности растворов или бетонов. Щелочные соединения могут явиться также причиной опасных деформаций в гидротехнических бетонах,
Минералогический состав клинкера. В клинкере обычного состава главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры, часть их входит в стекловидную фазу.
Рассмотрение шлифов цементного клинкера под микроскопом показывает, что он состоит преимущественно из кристаллов минералов-силикатов, между которыми размещается так называемое промежуточное вещество.' Последнее в свою очередь включает алюминаты и алюмоферриты кальция в кристаллическом виде, а также стекловидную фазу.
Основными минералами цементного клинкера являются алит ЗСаО • SIO, или Сз$ и белит 2СаО • SIO, или С2$*.
Алит — важнейший клинкерный минерал-силикат, определяющий высокую прочность, быстроту твердения и ряд других свойств портландцемента. В клинкере он содержится обычно в количестве 45 — 60%. По современным данным алит рассматривают как твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества Ngo, АI,Оз, Р,Оз, Cr Оз и др, Хотя содержание этих примесей в трехкальциевом силикате и небольшое (2 — 4%), но они определенным образом влияют на его структуру и свойства. Таким образом, следует различать трехкальциевый силикат, получаемый в лабораторных условиях из химически чистых компонентов, и алит, образующийся в цементном клинкере.
Трехкальциевый силикат. встречается в трех полиморфных модификациях. При этом чистый Сз$ обычно кристаллизуется в триклинной форме, примеси же переводят структуру в моноклинную (в цементах), а иногда в тригональную.
Кристаллы алита имеют обычно шестигранную или прямоугольную форму.
На прочность и другие свойства портландцемента зна чительно влияют форма кристаллов алита в клинкере, их размеры, распределение по величине, степень закристаллизованности и др. важно преобладание кристаллов правильной призматической или гексагональной формы.
Белит — второй основной минерал портландцементного клинкера, отличается медленным твердением, но обеспечивает достижение высокой прочности при длительном твердении портландцемента.
Белит, как и алит, представляет собой твердый раствор β-двухкальциевого силиката (β-2CaO SiO2) и небольmoro количества (1 — 3%) таких примесей, как Al,Оз, Fe,Oз, Cr,Оз и др.
Гидравлическая активность белита зависит от строения кристаллов ( их величины, плотности, наличия трещин и включений). Цементы, в которых белит представлен округлыми плотными кристаллами с зазубренными краями со средним размером 20 — 50 мкм, характеризуются повышенной прочностью. Расщепление кристаллов, приводящее к развитию удельной поверхности системы, способствует повышению ее гидравлической активности.
Промежуточное вещество, расположенное между кристаллами алита и белита, включает алюмоферритную и алюминатную фазы, а также второстепенные минералы в кристаллическом виде и, наконец, стекловидную фазу. Все эти фазы при высоких температурах обжига находятся в расплавленном состоянии.
Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, который в свою очередь зависит от состава сырьевых смесей, условий обжига и т. и.
Алюминаты кальция могут встречаться в промежуточном веществе клинкера в виде двух соединений: трехкальциевого алюмината СзА и пятикальциевого трехалюмината С5Аз.
СзА кристаллизуется в кубической системе в виде очень мелких шестиугольников и прямоугольников; показатель. его светопреломления 1,710 близок к показателям преломления алита и белита, что затрудняет его определение. Плотность СзА 3,04 г/см'.
Помимо этих основных составляющих в клинкере содержатся также и некоторые другие кристаллические образования и, в частности, СаО и MgO в свободном состоянии.
Билет №30
1. Бетон в дорожных покрытиях постоянно подвергается механическим, физическим и химическим воздействиям (температурным и влажностным колебаниям, влиянию дождевых и грунтовых вод и т.п.). Чтобы обеспечить высокую долговечность дорожных бетонов, при их изготовлении, применяют специальные цементы.
Портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог —дорожный — отличается от обычного портландцемента повышенной морозостойкостью, стойкостью против истирающих и ударных воздействий, малой усадкой, повышенной прочностью на растяжение и изгиб.
Для повышения прочности на изгиб, стойкости против ударных нагрузок, а также уменьшения объемных и линейных деформаций в дорожном портландцементе увеличивают количество трехкальциевого алюмофеврита, содержание же GpA не должно превышать 10%. В этот цемент не разрешается вводить инертные и активные минеральные добавки, за исключением гранулированного доменного шлака, содержание которого э нем не должно превышать 15% (СНиП I-B.2-69).
Чтобы снизить водопотребность бетонной смеси и повысить морозостойкость бетона, в этот цемент или бетонную смесь полезно вводить пластифицирующие или гидрофобные добавки (сульфитно-дрожжевую бражку, асидол-мылонафт, мылонафт и др.).
По ГОСТ 10178—62* марка дорожного портландцемента должна быть не менее 400 для однослойных и двухслойных покрытий и не ниже 300 Для оснований в капитальных усовершенствованных покрытиях. Начало схватывания этого цемента должно наступать не ранее 2 ч. Показатели других свойств дорожного портландцемента должны удовлетворять требованиям ГОСТ 8424—63.
Для приготовления дорожного бетона применяют дорожный портландцемент и его разновидности — пластифицированный и гидрофобный. Марка цемента для покрытий должна быть не менее 500, а для оснований — не ниже 300. Цемент не должен содержать в своем составе инертных и активных добавок; в качестве добавки допускается только гранулированный доменный шлак, не более 15%. Содержание в клинкере трехкальциевого алюмината не превышает 10% Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 2 ч после его затворения.
Как поверхностноактивные органические добавки применяют сульфитноспиртовую барду, абиетат натрия, мылонафт, асидолмылонафт. Их содержание зависит от объема вовлеченного воздуха в бетонную смесь, который, в свою очередь, зависит от размера зерен заполнителя: при наибольшей крупности щебня от 40 до 70 мм содержание воздуха допускается до 4,5%, а при крупности 10—20 мм — до 5,5% (по объему).
Ускорителями твердения, особенно в зимних условиях, являются хлористый кальций и хлористый натрий в количестве до 3% для неармированных покрытий и до 2% для армированных. В предварительно напряженных покрытиях эти добавки не допускаются.
Для приготовления дорожного бетона в качестве мелкого заполнителя применяют кварцевый или полевошпатовый песок или пески, получаемые дроблением твердых и плотных каменных пород, как крупный заполнитель — щебень и гравий, щебень из гравия плотных пород и щебень из доменного шлака. Для дорожных покрытий щебень из гравия и гравий необходимо промывать. Содержание глинистых фракций допускается не более 1 %, а органических не допускается.
Морозостойкость щебня и гравия или щебня из гравия должна быть не ниже морозостойкости дорожного цементного бетона. Предельная крупность зерен щебня принимается 40 лш.дл.я однослойного и нижнего слоя двухслойных покрытий и 20 мм для верхнего слоя двухслойных покрытий; для оснований усовершенствованных покрытий допускается щебень с зернами 70 мм.
Высокие требования предъявляются к прочности крупного заполнителя: на растяжение прочность каменного материала должна быть выше прочности бетона в 1,5—2,5 раза, а на сжатие — в 2—4 раза. Для дорожных покрытий применяют щебень из изверженных пород прочностью не менее 1200 кГ/см2 и из осадочных пород прочностью не менее 800 кГ/см2. Содержание слабых фракций допускается не более 7%. На указанных материалах можно получить бетон с высоким пределом прочности на изгиб, высокой морозостойкости и деформативной способности и, следовательно, большой долговечности.
2. Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются.
К числу воздушных вяжущих веществ относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества, а также воздушная известь.
Поэтому эти вяжущие можно применять лишь в таких частях сооружений, которые не подвергаются действию воды. Воздушные вяжущие вещества по своему химическому и минералогическому составу - сравнительно простые вещества: они состоят, как правило, из одного соединения. Основой гипсовых вя-жущих является сернокислый кальций СаSO4 или СаSO4·0,5Н20; известковые вяжущие состоят главным образом из оксида кальция СаО и какого-то количества оксида магния МgО; магнезиальные вяжущие содержат оксид магния МgО; жидкое стекло - силикат на-трия Na2О·nSiO2 или калия К2О·nSiO2.
Воздушные вяжущие вещества применяются только в сухих условиях – в надземных сооружениях, не подвергающих-ся действию воды, например, внутри помещения .
Гидравлические вяжущие вещества отличаются тем, что после смешения с водой и предварительного твердения на воздухе способны в последующем твердеть как в воздушной, так и в водной|среде. Гидравлические вяжущие вещества применяют в производстве разнообразных изделий и конструкций, а также при возведении зданий и сооружений, предназначенных к эксплуатации в воздушной и в водной среде. В начальный период твердения необходимо, чтобы в среде, где находится вяжущее вещество, присутствовала влага. Иначе вяжущее быстро теряет большую часть воды затворения и течение химических реакций, благодаря которым формируется прочность материала, замедляется. В благоприятных условиях, когда влажность окружающей среды достаточна, гидравлические вяжущие со временем повышают прочность. Таким образом, по своим свойствам и области применения гидравлические вяжушие вещества более универсальны.
В группу гидравлических входят многие вяжущие вещества, которые в свою очередь с некоторой условностью можно разделить на несколько подгрупп.
В первую подгруппу включают чистые гидравлические вяжущие, не содержащие или содержащие не более 15% активных минеральных добавок.
В эту подгруппу входят:
а) портландцемент, а также пластифицированный,
гидрофобный, сульфатостойкий, белый портландцементы;
б) глиноземистый цемент;
в) романцемент;
г) гидравлическая известь.
Ко второй подгруппе относят смешанные гидравлические вяжущие, получаемые смешением чистых вяжущих, а также с активными или инертными минеральными добавками, вводимыми в количестве 10—15%.
Основными представителями этой подгруппы являются:а) на основе портландцемента — шлаковый портландцемент, пуццолановый портландцемент, цемент для строительных растворов и др.;
б) на основе воздушной и гидравлической извести —известково-пуццолановые цементы, известково-кварцевое вяжущее для бетонов автоклавного твердения, известково-белитовый (нефелиновый) цемент, известково-шлаковый цемент и др.;
в) на основе глиноземистого и портландского цементов, а также гипса — расширяющиеся и безусадочные цементы;
г) на основе гипса, портландцемента и активных минеральных добавок — гипсоцементнопуццолановые вяжущие и др.;
д) на основе доменных гранулированных шлаков и гипса — сульфатно-шлаковый цемент.
К третьей группе относится кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, представляющий собой тонкомолотую смесь кварцевого песка и кремнефтористо-го натрия, затворяемую водным раствором силиката натрия или калия.
Гидравлические вяжущие вещества широко используются в надземных, подземных, подводных и гидротехнических сооружениях.
Гидравлические вяжущие по своему составу - более сложные вещества. Они состоят главным образом из нескольких соедине-ний, содержащих оксиды СаО, SiO2, Al2O3, Fe2O3.
3. Твердение шлакопортландцемента может быть разделено на два процесса: первичный — гидратация и твердение клинкерной части цемента; вторичный — химическое воздействие продуктов гидратации клинкерной части с доменными гранулированными шлаками. При гидратации трехкальциевого силиката клинкера происходит выделение гидрата оксида кальция, взаимодействующего с глиноземом и кремнеземом шлака, и образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. По сравнению с портландцементом шлакопортландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, но марочная и последующие прочности его примерно одинаковы. С понижением температуры прирост прочности шлакопортландцемента сильно снижается. Повышенная температура при достаточной влажности среды оказывает на твердение шлакопортландцемента более благоприятное влияние, чем на портландцемент.