НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Неорганическими вяжущими веществами называются порошкообразные минеральные материалы, которые при смешивании с водой или водными растворами некоторых солей образуют пластическую массу (тесто), способную со временем твердеть до камневидного состояния. Большую группу неорганических вяжущих веществ составляют воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества способны в тестообразном состоянии твердеть и длительно сохранять свою прочность только на воздухе, вне контакта с водой. Их используют в условиях, не подвергающихся воздействию водной среды. К таким вяжущим веществам относятся: строительная воздушная известь, гашеная (пушонка) и молотая негашеная (кипелка) известь, гипсовые и магнезиальные вещества, а также растворимое или жидкое стекло, которое, как исключение из общего числа вяжущих, не относится к порошкообразным материалам.

Гидравлические вяжущие вещества способны в тестообразном состоянии твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде, увеличивая с течением времени прочность отвердевшего теста (камня). Поэтому, в отличие от воздушных, они могут применяться в наземных, подземных, гидротехнических и других сооружениях, подверженных воздействию водной среды. К таким вяжущим относятся портландцемент, глиноземистый цемент, пуццолановые и шлаковые смешанные цементы, ряд специальных цементов, а также гидравлическая известь. К ним примыкают еще и вяжущие вещества автоклавного твердения.

Производство неорганических вяжущих веществ основано на химической переработке сырья. Основной сырьевой базой служат горные породы и сходные с ними по составу побочные продукты промышленности. Из горных пород используют: карбонатные — известняк, мел, известковые туфы, ракушечник, мрамор, доломиты, доломитизированные известняки, магнезит; сульфатные — гипс и ангидрит; мергелистые — известняковые мергели; алюмосиликатные — нефелин, глины, глинистые сланцы; высокоглиноземистое сырье — бокситы, корунды и др.; кремнеземистые — вулканический пепел (пуццолан), трассы, диатомит, трепел, опоку, кварцевый песок. Из побочных продуктов в качестве сырья применяют в цементной промышленности шлаки металлургические, особенно первичных процессов доменного производства, а также передельных процессов (мартеновские); шлаки цветной металлургии, топливные и др.; золы, обычно кислые. При использовании побочных продуктов учитывают их химический состав, так как по составу они подразделяются на оенбвные и кислые. У основных шлаков модуль основности Mo > 1, у кислых — Mo < 1:

где в числителе — суммарное количество (в процентах по массе) основных оксидов; в знаменателе — то же, но в отношении кислых оксидов (иногда сюда же прибавляют еще оксид железа РегОз). Необходимые количественные данные получают путем выполнения химического анализа сырья.

Побочные (попутные) продукты оцениваются также по модулю активности: Л/акт = . Однако исследования и практика показали

на отсутствие закономерности между величинами указанных двух модулей и реальными свойствами материалов [12]. Поэтому изыскивались иные модули —Тетмайера, Ле-Шателье, Кюля, Юнга, Кинда и др. Исследования показали несомненную полезность коэффициента основности, предложенного П.И. Боженовым и приведенного выше. По мере роста Mo > 1 вяжущие свойства металлургических шлаков заметно повышались.

Сырье бывает одно- и многокомпонентным. При многокомпонентном сырье более однородной смесь получается при увеличении степени дисперсности ее компонентов раздельным или одновременным доизмельчением; при этом возрастает и общая (химическая и энергетическая) активность продукта домола, тем более, если в до- измельчаемую смесь были дополнительно внесены еще необходимые ингредиенты.

Принципиальная схема технологии изготовления минеральных вяжущих веществ состоит из следующих основных операций: подготовка исходных компонентов сырья; дозирование; придание сырью удобообжигаемого состояния с учетом конструкции печи и других производственных факторов; обжиг; помол продукта обжига — в смеси с добавками или без добавок. Центральное место в технологии занимает обжиг, при котором сырье теряет свободную воду, дегидратируется, термически диссоциирует. Обжиг осуществляется в печах или специальных аппаратах (например, при варке гипса, растворимого стекла). Наиболее распространенными являются вращающиеся печи, особенно при производстве портландцемента, глиноземистого цемента, извести и некоторых других вяжущих материалов.

При определенных термических режимах сырье или сырьевая смесь претерпевает изменения в химическом составе и структуре. При повышенных температурах происходят реакции в твердом состоянии. Атомы или атомные группы в кристаллической решетке нагреваемого вещества начинают колебаться в такой степени, что молекулы получают избыточную энергию (энергию активации). Часть активных молекул может сталкиваться и обмениваться местами с атомами и молекулами другого реагирующего вещества, образуя новые соединения. Эти реакции в твердой фазе за счет энергии активации особенно характерны при получении воздушной и гидравлической извести, а также роман-цемента, так как температура обжига сырья не доводится до уровня спекания с появлением жидкой фазы. Как отмечалось в теоретической части (см. гл. 2), большей реакционной способностью обладают аморфные вещества, например, трепел активнее кварцевого песка при одном и том же их химическом составе. При температурах спекания, когда обжигается сырье для получения портландцементного клинкера, образуется жидкая фаза, которая ускоряет химические реакции между твердыми веществами, начинающиеся значительно раньше этой температуры. Продукт обжига приобретает новое качество, отличное от качества сырья или его компонентов. Оно выражается в появлении вяжущих свойств у продукта обжига после затворения его водой или, реже, водным раствором некоторых солей. Чтобы полнее и быстрее проявилась потенциальная вяжущая способность продукта обжига, необходимо всемерно увеличивать поверхность контакта на границе раздела фаз «твердое — жидкое». Это достигается путем тонкого измельчения (помола) продукта обжига. Чем выше степень дисперсности порошкообразного продукта, больше его удельная поверхность, тем полнее и быстрее, при прочих соответственных условиях, проявляется потенциальная энергия. Для изменения некоторых качественных характеристик вяжущего вещества нередко при помоле вводят добавки, например гипс в портландцемент, известь в ангидритовый цемент и т. п.

Приготовление вяжущих веществ часто связано с использованием наполнителя — тонкоизмельченных кварцевого песка, известняка, доломита, андезита, диабаза, базальта, некоторых шлаков. В виде активных (гидравлических) минеральных добавок используют либо природные породы — диатомит, трепел, опоку, трасс и другие, либо искусственные — нефелиновый шлам, цемянку, глиеж (горелые породы), золы или шлаки. В минеральные вяжущие вещества нередко вводят поверхностно-активные добавки: гидрофильные — сульфитно-спиртовая барда (ССБ), сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и гидрофобные — мылонафт, асидол, омыленный пек, олеиновая кислота и др. Производство вяжущих веществ не обходится иногда и без применения в них ускорителей или замедлителей твердения. В качестве ускорителей (катализаторов) используют хлористый кальций, хлористый натрий, соляную кислоту, жидкое стекло, нитрит натрия и др., а в качестве замедлителей твердения (ингибиторов) — двуводный гипс, серную кислоту, сернокислое железо, клеи, ССБ и СДБ (соли лигносульфоновых кислот) и др. Для улучшения формовочных свойств могут вводиться пластификаторы — порошкообразные вроде глины, бентонита, трепела, диатомита, извести (оксида кальция) и др. или в виде жидкости типа ПАВ. В качестве интенсифицирующих добавок при помоле вяжущего вещества применяют антрацит и другие углеродистые добавки.

Направление химических и физико-химических процессов при производстве вяжущих веществ зависит от многих факторов и, в первую очередь, от состава сырья, однородности его компонентов, характера и количества примесей, структурных и текстурных особенностей применяемых горных пород в качестве компонентов сырья, технологического и термического режимов. Ввиду многообразия этих факторов трудно выдержать строго постоянным состав и свойства готового продукта — вяжущего вещества. Активным корректированием состава сырьевой смеси с введением некоторых дополнительных ингредиентов, а также варьирования режимов при выполнении операций представляется возможным увеличивать однородность состава и качества вяжущего материала. Понятно, что приготовление вяжущих веществ всегда усложняется по мере перехода от однокомпонентного сырья к сырьевым смесям, состоящим из двух и более компонентов. Впрочем, понятие однокомпонентно- сти тоже достаточно условно вследствие возможных примесей в природном сырье.

Принципиальная схема технологии вяжущих веществ нуждается в конкретизации специфических особенностей при изготовлении отдельных типов вяжущих материалов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >