Технологии производства и применение вяжущих материалов

Строительные вяжущие материалы, технологии производства и применение вяжущих материалов.

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

Строительными вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичную массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело. Это определение относится к неорганическим вяжущим веществам, которые рассматриваются в настоящей книге, а не к органическим вяжущим (битумы, дегти, клеи и им подобные материалы).

Вяжущие вещества в зависимости от состава, основных свойств и области применения делятся на группы.

Наиболее обширна группа гидравлических вяжущих, которые после затворения водой споcобны твердеть как на воздухе, так и в воде. После предварительного затвердевания на воздухе они продолжают твердеть в воде, длительно сохраняя и наращивая свою прочность. Гидравлические вяжущие вещества можно использовать в надземных, подземных и гидротехнических сооружениях, испытывающих воздействие воды.

В группу гидравлических вяжущих входят цемент, глиноземистый цемент, пуццолановые цементы, шлаковые цементы, цементы с наполнителями, расширяющиеся цементы, гидравлическая известь. Известен ряд разновидностей этих вяжущих. Так, в зависимости от состава, различают цементы: обычный, алитовый, белитовый, алюмоферритный, ферритный, магнезиальный. В соответствии со специальными свойствами выделяют такие разновидности цементов, как быстротвердеющий, особо быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, с умеренной экзотермией, белый и цветные, тампонажный, дорожный, для асбестоцементных изделий, магнезиальный. Разновидностями глиноземистого цемента являются ангидрито-глиноземистый и гипсо-глиноземистый цементы.

В подгруппу пуццолановых цементов входят: пуццолановый цемент, сульфатостойкий пуццолановый цемент, известково-пуццолановый, известково-глинитный и известково-зольный цементы в подгруппу шлаковых - шлакоцемент, быстротвердеющий шлакоцемент, шлаковый магнезиальный цемент, известково-шлаковый, сульфатно-шлаковый, а в подгруппу цементов с наполнителями - двухкомпонентные цементы на основе цемента и наполнителей (карбонатный, песчанистый цемент), к этой же подгруппе относятся многокомпонентные цементы на базе цемента, наполнителей и гидравлических добавок. Известково-пуццолановые цементы, в соответствии с видом применяемых для их изготовления гидравлических добавок, делятся на цементы на основе добавок вулканического, осадочного происхождения или обожженных глинистых веществ.

Расширяющиеся цементы изготовляют на основе глиноземистого цемента или цемента с различными расширяющимися добавками. К этой подгруппе можно отнести и безусадочные цементы.

Группа воздушных вяжущих отличается тем, что после смешивания с водой эти вяжущие могут твердеть и длительно сохранять и наращивать, прочность только на воздухе. Воздушные вяжущие вещества применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды. В группу воздушных вяжущих входят воздушная известь, гипсовые вяжущие вещества и магнезиальные вяжущие вещества.

Воздушную известь изготовляют в виде негашеной комовой, негашеной молотой, карбонатной молотой, гидратной (пушонка). К гипсовым вяжущим веществам относятся: строительный гипс, формовочный гипс, технический (высокопрочный) гипс, ангидритовое вяжущее, высокообжиговый гипс, гипсовые вяжущие из гипсосодержащих пород, а к магнезиальным - каустические магнезит и доломит.

К группе вяжущих автоклавного твердения, наиболее эффективно твердеющих при автоклавной (гидротермальной) обработке в течение 6-10 ч при давлении насыщенного пара 9-13 атм, относят известково-кремнеземистые вяжущие, состоящие из извести и кварцевого песка, маршалита или других кремнеземистых материалов; известково-белитовые вяжущие из извести и белитового (нефелинового) шлама, песчанистые цементы и ряд других. Некоторые вяжущие этой группы, которые могут твердеть при обычных температурах, уже упоминались ранее.

К группе кислотоупорных вяжущих веществ, которые после затвердевания на воздухе могут весьма длительное время сохранять свою прочность при воздействии минеральных кислот, относят кварцевый кремнефтористый цемент и некоторые другие.

Двух- и многокомпонентные вяжущие материалы, состоящие, например, из цемента и активных минеральных (гидравлических) или наполнительных добавок (микронаполнителей), иногда называют смешанными, производными или сложными, в отличие от исходных цементов чистых или основных (без добавок). Употребляемый нередко термин - вещественный состав - характеризует содержание в смешанном вяжущем основного вида вяжущего и различных добавок.

Вяжущие вещества без добавки заполнителей, в виде вяжущего теста (смеси вяжущего вещества с водой), употребляются редко, так как при твердении большинство этих веществ дает большую усадку, что ведет к образованию трещин. Кроме того, введение заполнителей снижает стоимость изделий из вяжущих веществ и в ряде случаев придает специальные свойства. Обычно в строительстве отдельные камни или блоки связывают в одну монолитную массу строительным раствором, представляющим собой затвердевшую растворную смесь, состоящую из вяжущего вещества, песка или другого мелкого заполнителя и воды. Цельные монолитные части сооружения изготовляют из бетона, получаемого в результате затвердевания бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, мелких и крупных заполнителей и воды. Из бетонных, а также из растворных смесей изготовляют различные строительные детали и конструкции. Затвердевшее тесто называют вяжущим или цементным камнем. Так же называют затвердевшую цементную часть раствора или бетона.
Строительные детали на основе вяжущих бывают различной формы и размеров, начиная от небольших плиток и кончая крупными элементами сборных железобетонных конструкций. Твердение этих изделий протекает при обычных или повышенных температурах (гидротермальная обработка изделий на основе цемента и извести, сушка гипсовых изделий и т.д.).

Для получения изделий из вяжущих веществ служат цемент, известь, гипс и реже магнезиальные и другие вяжущие вещества. В качестве заполнителей применяют песок, гравий, щебень, доменный и топливный шлаки, керамзит, аглопорит, шлаковую пемзу, вспученный перлит, природную пемзу и некоторые другие; армирующим же материалом является и арматурная сталь, асбест, древесные волокна и т. д.
Изделия из вяжущих веществ можно разделить на следующие основные группы:

1. бетонные и железобетонные из обыкновенных, легких и ячеистых бетонов на основе цементов;
2. асбестоцементные;
3. силикатные плотные и ячеистые на основе извести;
4. гипсовые.

Сырьем для производства вяжущих служат природные материалы (горные породы) и некоторые промышленные отходы. Эти материалы используются в отдельности либо в смеси друг с другом.

К природным сырьевым материалам относятся породы: гипсовые, известковые, глинистые, мергелистые, магнезиальные, высокоглиноземистые и кремнеземистые.

Гипсовые горные породы состоят в основном из двуводного CaSO4*2Н2О или безводного сернокислого кальция - CaSO4. Эти породы применяются для производства гипсовых вяжущих, а в смеси с другими материалами - для изготовления сульфатно-шлаковых цементов. Наряду с этим гипсовые породы широко используются как добавки к различным вяжущим веществам. Основными видами гипсового сырья являются гипсовый камень (CaSO4*2Н2О) и ангидрит (CaSO4).

Известковые породы в виде известняков, мелов, известковых туфов, известняков-ракушечников состоят в основном из углекислого кальция. Они используются для производства извести, портландцемента, глиноземистого цемента и смешанных вяжущих на их основе.

Глинистые породы в виде глин различных видов, суглинков, глинистых сланцев, лёссов, состоящих в основном из водных алюмосиликатов, применяют для производства цемента, смешанных вяжущих на его основе, а также на основе извести и обожженных глин.
Мергелистые породы представляют собой природную гомогенную смесь кальцита и глинистого вещества. Их применяют при изготовлении портландцемента и его производных, а также гидравлической извести.

Магнезиальные породы в виде магнезита (МgСО3) и доломита (СаСО3*МgСО3) употребляют в производстве магнезиальных вяжущих веществ, а также доломитовой извести.
Высокоглиноземистые породы (бокситы), состоящие главным образом из гидратов окиси алюминия, применяются в смеси с другими материалами для изготовления глиноземистого цемента.

Кремнеземистые породы (диатомит, трепел, пуццолана, трасс, кварцевый песок и др.) используются в смеси с другими материалами для изготовления смешанных цементов.
Отходы промышленности [металлургические и топливные шлаки, золы, белитовый (нефелиновый) шлам и др.] в смеси с другими материалами употребляются для получения различных цементов. В этом случае устраняется необходимость в организации карьеров для добычи полезного ископаемого и не образуются большие отвалы из отходов вблизи завода-изготовителя.

Заводы по производству вяжущих веществ применяют в качестве сырья широко распространенные горные породы и отходы других отраслей промышленности. Эти заводы строятся в большинстве случаев в местах залегания основного сырья, так как перевозить его невыгодно из-за его громоздкости, низкой стоимости и сравнительно небольшого выхода готового продукта, так как в ходе производства удаляются влага и углекислота.

Добавки, вводимые для регулирования свойств изготовляемых из вяжущих веществ растворов и бетонов и для экономии самих вяжущих веществ, можно разделить на следующие группы:

1. активные минеральные (гидравлические), повышающие плотность и стойкость вяжущих веществ в пресных и сульфатных водах: осадочного происхождения - диатомиты, трепелы, опоки, глиежи (глины естественножженые); вулканического происхождения - пеплы, туфы, пемзы, трассы; искусственно получаемые - доменные гранулированные шлаки, топливные золы и шлаки, обожженные глины (глинит, цемянка, керамзит, аглопорит), горелые породы (самовозгорающиеся в отвалах пустые шахтные породы), кремнеземистые отходы;
2. наполнительные (микронаполнительные), позволяющие экономить цемент и повышать плотность бетона: получаемые из горных пород - известняки, изверженные горные породы, пески, глины и т. п.; искусственные, получаемые из промышленных отходов, - доменные отвальные шлаки, некоторые виды топливных зол и шлаков и т. д.;
3. ускоряющие схватывание и твердеющие вяжущих веществ: хлористый кальций, хлористый натрий, соляная кислота, сернокислый глинозем, поташ, молотая негашеная известь и др.;
4. замедляющие схватывание вяжущих веществ: гипс, слабый раствор серной кислоты, сернокислое окисное железо, кератиновый замедлитель, животный клей и др.;
5. поверхностно-активные: пластифицирующие - концентраты сульфитно-спиртовой барды (жидкие, твердые и порошкообразные); гидрофобно-пластифицирующие и микропенообразующие - мылонафт, асидол, асидол-мылонафт, абиетат натрия, омыленный древесный пек и др. К гидрофобно-пластифицирующим добавкам относятся и кремнийорганические жидкости: метилсиликонат натрия (ГКЖ-11, МСГ-9), этилсиликонат натрия. (ГКЖ-10, ЭСГ-9), этилгидросилоксановая жидкость (ГКЖ-94). Поверхностно-активные вещества уменьшают водопотребность и расход вяжущих, повышают морозостойкость бетонов и растворов. Гидрофобно-пластифицирующие добавки, кроме того предохраняют цементы от быстрой потери активности при дальних перевозках и длительном хранении;
6. пенно - газообразующие, применяемые для изготовления ячеистых бетонов: пенообразователи - клее - канифольные, смолосапониновые, алюмосульфонафтеновые, пенообразователь ГК; газообразователи - алюминиевая пудра, пергидроль технический;
7. повышающие кислото- и жаростойкость: кислотостойкие - тонкомолотые андезит, базальт, диабаз, бештаунит, гранит, кварц, природный пылевидный кварц и др.; жаростойкие - тонкомолотые хромит, магнезит, фосфоритная мука, шамот, полукислые огнеупорные изделия, металлургический магнезит, андезит, диабаз и др.

В основу приведенной классификации добавок положено ее целевое назначение. Некоторые добавки по оказываемому им действию могут быть отнесены к двум и более группам и используются и в тех, и в других случаях.

Добавки применяются как в сухом, порошкообразном, состоянии, так и в виде водного раствора, суспензии или эмульсии. Они вводятся в состав цемента или до затворения водой (путем совместного помола или последующего после помола смешения или непосредственно в бетономешалку или растворомешалку (одновременно с другими составляющими бетонной или растворной смеси).

Ряд добавок нашел широкое применение. Например, добавки замедляющие сроки схватывания, и активные минеральные другие добавки применяются реже.

В производстве вяжущих веществ для ускорения процессов служат различные минерализаторы и интенсификаторы, вводимые в небольших количествах. Так, для ускорения обжига цемента вводят фториды щелочных и щелочноземельных металлов, соли кремнефтористоводородной кислоты, сернокислый и хлористый кальций и др.; для ускорения процесса помола цемента вводят углеродистые материалы, поверхностно-активные вещества и некоторые другие; для снижения влажности шлама к сырьевой смеси добавляют разжижители в виде сульфитно-спиртовой барды, триполифосфата натрия и ряда других веществ.

Основные виды вяжущих материалов применяемые в цементной промышленности: