Неорганические вяжущие вещества

Луганский Национальный Аграрный Университет

Кафедра Материаловедения

Тема: НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Выполнил:студент 633 гр.

Комаров Роман

Проверил:

Сумасшедший Погостнов

Луганск 2008

Вяжущими веществами называют материалы, способные при смешивании с водой, образовывать пластично-вязкое тесто, которое со временем затвердевает. Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут склеивать между собой зерна песка, гравия и щебня. Это свойство используется для получения бетонов, строительных растворов, силикатного кирпича, асбестоцемента и других каменных материалов.

Вяжущие вещества делят на:

· неорганические - известь, цемент, гипсовые вяжущие и др.;

· органические - битумы, дегти, синтетические полимеры и олигомеры.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу их подразделяют на четыре группы:

1 -известковые, состоящие, в основном, из гидрооксида кальция Са(ОН)₂;

2 -гипсовые, состоящие из сульфата кальция (СаSO₄ · 0,5Н₂О или СаSО₄);

3 -магнезиальные, главным компонентом которых служит оксид магния МgО;

4 - жидкое стекло - раствор силиката натрия или калия.

Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.

К ним относят: гидравлическую известь и романцемент; портландцемент и его разновидности; глиноземистый цемент; расширяющиеся и безусадочные цементы.

Вяжущие оценивают по прочности стандартных образцов, твердевших определенное время, в условиях, установленных стандартом. Затем устанавливают марку вяжущего.

Скорость твердения. Очень высокой скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие: они полностью затвердевают за несколько часов; очень медленно твердеет воздушная известь: процесс ее твердения длится сотни лет.

В процессе твердения строители различают две стадии: схватывание и набор прочности (собственно твердение).

Схватывание - потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств. Начало схватывания - момент, когда появляются признаки загустевания теста. Конец схватывания - момент, когда тесто превращается в твердое тело. Сроки схватывания гипса 4...30 мин, портландцемента - несколько часов. Сроки схватывания учитывают при работе со строительными смесями на основе вяжущих. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением воды, может привести к существенному снижению прочности материала.

Гипс строительный - быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция СаSО₄ · 0,5Н₂О, получаемого низкотемпературной (< 200°С) обработкой гипсового сырья. Сырьем для гипса служит природный гипсовый камень, состоящий из двуводного сульфата кальция (СаSО₄ · 2Н₂О) и различных механических примесей (глины и др.).

В качестве сырья могут использоваться также промышленные отходы, например, фосфогипс, а также сульфат кальция, образующийся при химической очистке дымовых газов от оксидов серы с помощью известняка.

Получение гипса включает две операции:

· термообработку гипсового камня на воздухе при 150...160° С; при этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция в-модификации

СаSО₄ · 2Н₂O > СаSО₄· 0,5H₂О + 1,5Н₂О

· тонкий размол продукта, который можно производить как до, так и после термообработки.

Таким способом производится основное количество гипса; обычно для этого используют гипсоварочные котлы (рис.7.1.). Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4...5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и перспективным вяжущим. Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят в щековых (4), конусных или молотковых дробилках (8), затем подсушивают и измельчают в мельнице. Процесс сушки и помола обычно совмещают в одном аппарате, например, в шахтной (8) или шаровой мельнице. В мельнице гипс подсушивают, из него выделяется некоторая часть кристаллизационной воды. Поток газов увлекает материал из камеры измельчения вверх шахты. Тонкие частицы поступают в пылеосодительные устройства (9 - 13), а грубые частицы выпадают из потока и возвращаются в мельницу. Затем гипс поступает в варочный котел и на склад готовой продукции.

Процесс твердения гипса заключается в переходе полуводного сульфата кальция при затворении его водой в двуводный:

СаSО₄ · 0,5Н₂О + 1,5Н₂О > СаSО₄ · 2Н₂О

Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу.

Механизм твердения состоит в том, что полуводный гипс растворяется в воде почти в 4 раза лучше, чем двуводный (растворимость соответственно 8 и 2 г/л в пересчете на СаSО₄). При смешивании с водой полуводный гипс растворяется до образования насыщенного раствора и тут же гидратируется, образуя двугидрат. Кристаллы двуводного гипса выпадают в осадок, а полуводный вновь начинает растворяться и т. д. В дальнейшем процесс может идти по пути непосредственной гидратации гипса в твердой фазе. Для гидратации гипса необходимо около 20% воды от его массы, а для образования гипсового теста - 50...60%. Избыточный объем воды образует поры, от которых зависят такие свойства как плотность, прочность и теплопроводность материала. Чем меньше разница между количеством воды, необходимым для твердения вяжущего и для получения из него удобоформуемого теста, тем лучше эти свойства.

Истинная плотность полуводного гипса - 2,65...2,75г/см³, насыпная плотность - 800...1100 кг/м³.

Схватывание гипса замедляют добавкой столярного клея, сульфитно-спиртовой барды (ССБ), технических лигносульфонатов (ЛСТ), кератинового замедлителя, а также борной кислоты, буры и полимерных дисперсий (например, ПВА). Марку гипса определяют испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов-балочек 4х4х16см спустя 1,5ч после их формования. За это время гидратация и кристаллизация гипса заканчивается.

Установлено 12 марок гипса по прочности от Г-2 до Г-25. В строительстве используется в основном гипс марок от Г-4 до Г-7. Гипсовые вяжущие маркируют по трем показателям: скорости схватывания, тонкости помола и прочности. Например, гипсовое вяжущее Г-7А11 - быстротвердеющее (А), среднего помола (II), прочность на сжатие не менее 7 МПа.

По тонкости помола, гипсовые вяжущие делят на три группы:

Плотность затвердевшего гипсового камня низкая (1200...1500 кг/м³) из-за значительной пористости (60...30 %).

Гипсовое вяжущее - одно из немногих вяжущих, расширяющихся при твердении: увеличение в объеме достигает 0,2 %. Эта особенность гипсовых вяжущих позволяет применять их без заполнителей, не боясь растрескивания от усадки.

При увлажнении затвердевший гипс не только снижает прочность, но и проявляет нежелательное свойство - ползучесть - медленное необратимое изменение размеров и формы под нагрузкой. Характер жидкой среды во влажном гипсе - нейтральный (рН = 6,5...7,5), и она содержит ионы Са⁺² и SО⁺²₄, поэтому стальная арматура в гипсе корродирует. Гипс хорошо сцепляется с древесиной. Гипсовые изделия армируют деревянными рейками, картоном или целлюлозными волокнами и наполняют древесными стружками и опилками, получают арболит.

Гипсовые пористые материалы замедляют передачу теплоты. При действии высоких температур в результате разложения на СаSO₄ • 0,5H₂O и 1,5H₂O выделяют воду, тем самым, тормозят распространение огня.

В сухих условиях эксплуатации гипс очень перспективное с технической и экологической точек зрения вяжущее.

Область применения гипса - устройство перегородок, гипсовых камней, гипсокартонньгх листов. Из гипса изготавливают акустические плиты, а также декоративные архитектурные детали.

Растворимое стекло - силикаты натрия (Na₂0 ? mSiO₂) или калия (К₂О? mSiО₂), где m - модуль стекла, находящийся в пределах для натриевого стекла 2,0...3,5, а для калиевого 3,5...4,5. Растворимое стекло получают сплавлением смеси кварцевого песка с содой Nа₂СО₃ (или сульфатом натрия Nа₂SO₄,) и поташем К₂СО₃ в стекловаренных печах при 1300...1400° С. Образовавшийся расплав быстро охлаждают. При этом он распадается на полупрозрачные желто-зеленые куски, называемые силикат-глыбой.

В строительстве обычно используют водный раствор силикат-глыбы в воде - жидкое стекло. Растворение производится в автоклаве насыщенным паром. Плотность раствора 1,5...1,3 г/см³, что соответствует концентрации раствора 70...50 %.

Жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных замазок и бетонов, а также как связующее в силикатных красках (только калиевое стекло).

Кислотоупорный цемент изготовляют из тонкоизмельченной смеси кислотоупорного наполнителя (кварца, диабаза, андезита и т. и.) и ускорителя твердения - кремнефтористого натрия Na₂SiF₆. Название «цемент» для такого порошка имеет условный характер, так как сам он вяжущими свойствами не обладает и при смешивании с водой не твердеет. Вяжущим веществом в таких цементах является жидкое стекло, которым этот «цемент» и затворяют.

Процесс твердения кислотоупорного цемента протекает по схеме полного разложения силиката натрия и нейтрализации гидроксида натрия:

Nа₂О ? mSiO₂ + Nа₂SiF₆ + Н₂О > Si(ОН)₄ + NaF

Образующийся гель кремневой кислоты является вяжущим компонентом, а плохо растворимый фторид натрия и порошок кислотоупорной породы (кварца и т, п.) служат микронаполнителями.. Количество Nа₂SiF₆ от массы растворимого стекла, должно быть в пределах 10...15%.

Сроки схватывания кислотоупорного цемента: начало - не ранее20 мин., конец - не позднее 8 ч. Предел прочности при растяжении после 28 сут твердения - не менее 2,0 МПа. Прочность при сжатии бетонов на кислотоупорном цементе составляет 20...60 МПа. Для уплотнения и упрочнения бетонов или растворов на кислотоупорном цементе их обрабатывают соляной или серной кислотами («кислуют»). При этом нейтрализуются остатки щелочных гидроксидов и уплотняется гель кремнекислоты.

Кислотостойкость - сохранение массы при испытании в кислоте - не менее 93%. При длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность.

Сырьем для получения извести служат широко распространенные осадочные горные породы: известняки, мел, доломиты, состоящие преимущественно из карбоната кальция (СаСО₃). Если куски таких пород обжечь в печи, то карбонат кальция перейдет в оксид кальция:

СаСО₃ > СаО + СО₂ ^

При обжиге карбонатов теряется 44% СО₂ массы и они становятся легкими и пористыми. При смачивании водой СаО бурно реагирует с ней, превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды в пластичное тесто.

Этот процесс, сопровождающийся большим выделением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения, называют гашением извести. Образующееся при избытке воды пластичное тесто используют в качестве вяжущего. При испарении воды тесто загустевает и переходит в камневидное состояние. Недостаток извести - медленное твердение: процесс набора прочности твердеющей известью растягивается на годы и десятилетия. В реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести, как правило, не превышает 0,5...2 МПа.

Производство. Сырье - карбонатные породы обжигают в шахтных (рис.7.2.) или вращающихся печах при температуре 1000...1200°С. Производство известковых вяжущих включает сведущие операции: добыча сырья, дробление и классификация, обжиг известняка в виде щебня фракций 5…10мм и 10…20мм; помол комовой извести (или превращения в порошок путем гашения извести) и упаковка.

В процессе обжига СаСО₃ и МgСО₃, разлагаются на оксиды кальция, СаО и магния, МgО и углекислый газ. Неравномерность обжига может привести к образованию в извести недожога и пережога. Недожог (неразложившийся СаСО₃), получающийся при слишком низкой температуре обжига, снижает качество извести, так как не обладает вяжущими свойствами. Пережог образуется при слишком высокой температуре обжига в результате сплавления СаО с примесями кремнезема и глинозема. Зерна пережога медленно гасятся и могут вызвать растрескивание и разрушение уже затвердевшего материала. Куски обожженной извести - комовая известь - обычно подвергают гашению водой: СаО + Н₂О > Са(ОН)₂ + 1160 кДж/кг. Выделяющаяся при гашении теплота резко повышает температуру извести и воды, которая может даже закипеть (поэтому негашеную известь называют кипелкой). При гашении куски комовой извести увеличиваются в объеме и распадаются на мельчайшие (до 0,001 мм) частицы.

В зависимости от количества взятой для гашения воды получают: гидратную известь-пушонку (50...70 % воды от массы извести) известковое тесто (воды в 3...4 раза больше, чем извести). По содержанию оксидов кальция и магния воздушная известь бывает: кальциевая - МgО не более 5 %; магнезиальная - МgО 5...20 %; доломитовая - МgО 20...40 %.

По виду продукта воздушную известь подразделяют на негашеную комовую (кипелку), негашеную порошкообразную (молотую кипелку) и гидратную (гашёную, или пушонку).

В зависимости от содержания активных СаО + МgО и количества негасящихся зерен комовую известь разделяют на три сорта. По скорости гашения комовая известь бывает: быстрогасящаяся с временем достижения максимальной температуры при гашении извести менее 8 мин., среднегасящаяся - 8…25 мин., медленногасящаяся более 25 мин.

Негашеную порошкообразную известь получают помолом комовой в шаровых мельницах в тонкий порошок. Порошкообразная известь, как и комовая, делится на три сорта.

Преимущество порошкообразной извести перед комовой состоит в том, что при затворении водой она ведет себя подобно гипсовым вяжущим: сначала образует пластичное тесто, а через 20...40 мин схватывается. Это объясняется тем, что вода затворения, образующая тесто, частично расходуется на гашение извести. При этом известковое тесто густеет и теряет пластичность. Благодаря меньшему количеству свободной воды материалы на основе порошкообразной извести менее пористые и более прочные. Кроме того, известь при гашении разогревается, что облегчает работу с ней в холодное время.

При использовании порошкообразной извести воды необходимо 100... 150 % от массы извести в зависимости от качества извести и количества активных добавок в ней. Количество воды определяют опытным путем.

Гидратная известь (пушонка) - тончайший белый порошок, получаемый гашением извести, небольшим количеством воды. При гашении в пушонку известь увеличивается в объеме в 2...2,5 раза. Насыпная плотность пушонки - 400...450 кг/м³, влажность - не более 5%. Гашение извести можно производить как на строительстве объекта, так и централизованно. В последнем случае гашение совмещается с мокрым помолом непогасившихся частиц, это увеличивает выход извести и улучшает ее качество.

Тесто получают путем гашения большого количества воды. Значительная удельная поверхность частиц Са(ОН)₂ и их гидрофильность обусловливает большую водоудерживающую способность и пластичность известкового теста. После отстаивания известковое тесто содержит около 50% твердых частиц и 50% воды. Каждая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играющей роль своеобразной смазки. Это обеспечивает высокую пластичность известкового теста. По окончании гашения жидкое известковое тесто через сетку сливают в известехранилище, где его выдерживают до тех пор, пока полностью не завершится процесс гашения (обычно не менее двух недель). Известковое тесто с размером непогасившихся зерен менее 0,6 мм можно применять сразу. Крупные непогасившиеся зерна опасны тем, что среди них могут быть пережженные зерна, которые гасятся в изделиях, разрушая их.

Твердение. Известковое тесто состоит из насыщенного водного раствора Са(ОН)₂ и мельчайших нерастворившихся частиц извести. По мере испарения из него воды образуется пересыщенный раствор Са(ОН)₂, из которого выпадают кристаллы, скрепляющие отдельные частицы в единый монолит. При этом происходит усадка твердеющей системы, которая может вызвать растрескивание материала. Поэтому известь всегда применяют с заполнителями (например, известково-песчаные растворы) или в смеси с другими вяжущими.

При длительном твердении известь приобретает довольно высокую прочность и водостойкость. Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т. е. как бы обратно переходит в известняк:

Са(ОН)₂ + СО₂ > СаСО₃ + Н₂О

При длительном контакте извести с кварцевым песком в присутствии влаги происходит взаимодействие с образованием контактного слоя из гидросиликатов. Это так же повышает прочность и водостойкость бетонов и кирпичной кладки на извести, имеющих возраст более 200...300 лет

Применение, транспортирование, хранение. Воздушную известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов как самостоятельное вяжущее, так и в смеси с цементом; при производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий; для получения смешанных вяжущих (известково-шлаковых, известково-зольных и др.) и для красок.

Негашеную известь, особенно порошкообразную, при транспортировании и хранении предохраняют от увлажнения. Порошкообразная известь-кипелка гасится даже влагой, содержащейся в воздухе. Максимальный срок хранения молотой извести в бумажных мешках 25 суток, в герметичной таре- не ограничен.

Комовую известь транспортируют навалом в закрытых вагонах и автомашинах, порошкообразную - в бумажных мешках, а также в специальных автоцистернах. В таких же цистернах перевозят пушонку. Хранят комовую известь в сараях с деревянным полом, поднятым над землей на 30см. Недопустимо попадание на известь воды, так как это может вызвать ее разогрев и пожар. Воздушная известь всех видов - довольно сильная щелочь. Особенно опасна негашеная известь. Концентрация известковой пыли в воздухе не должна превышать 2мг/м³.

Во время погрузочно-разгрузочных работ, а также во время гашения извести рабочие должны быть в резиновой обуви, защитной одежде, рукавицах, плотно прилагающем головном уборе, защитных очках и респираторах.