Свойства строительных материалов

Керамические плитки применяют для настилки полов в банях, прачечных, санитарных узлах, в вестибюлях общественных зданий, в лечебных помещениях и на предприятиях химической промышленности, т. е. там, где полы подвергаются усиленному износу, постоянному увлажнению и воздействию агрессивных веществ. Эти плитки практически водонепроницаемы, надежно защищают несущие конструкции перекрытий от увлажнения, стойко сопротивляются истирающим воз- * действиям, не дают пыли, легко моются, не впитывают жидкостей, обладают устойчивостью по отношению к действию кислот и щелочей. К недостаткам полов из керамических плиток следует отнести их хрупкость и большую теплопроводность, что не позволяет применять их в жилых помещениях. Небольшие размеры плиток обусловливают повышенную трудоемкость при устройстве полов и требуют прочного, хорошо подготовленного основания. Однако эти недостатки не столь существенны и не препятствуют широкому применению керамических плиток в строительстве.

Производство и применение прочих видов керамических изделий

Санитарно-технические изделия

Производство изделий санитарно-технической керамики имеет свои особенности, специфическое оборудование, особые требования к качеству применяемых глин и рецептурам формовочных масс. В качестве глинистых материалов применяют беложгущиеся огнеупорные глины и каолины, добавками служат кварц и полевой шпат. От состава массы зависят тип получаемого материала -- твердый фаянс, полуфарфор и фарфор, а также его качества. В табл. 13 приведены примерные рецептуры смесей и основные физико-механические показатели получаемых материалов.

Изделия из твердого фаянса покрывают глухой или прозрачной глазурью, так как неглазурованный пористый черепок пропускает воду. В настоящее время в нашей стране санитарную керамику изготовляют преимущественно из твердого фаянса (унитазы, умывальники и смывные бачки). Полуфарфор обладает повышенными санитарно-гигиеническими и механическими свойствами, занимая промежуточное положение между твердым фаянсом и фарфором. Фарфор, имеющий белый, хорошо спекшийся остеклованный черепок, непроницаем для воды и газов, обладает высокой термической и химической стойкостью и наивысшей для всех материалов санитарной керамики механической прочностью.

Технология производства керамических изделий этой группы несколько сложнее, чем описанных выше, так как конфигурация изделий разнообразна, а также эксплуатационные требования, предъявляемые к ним, высоки. Сырье для изготовления санитарно-технических изделий подвергается более тщательной переработке -- помолу, отмучива-нию, просеиванию и другим операциям, обеспечивающим его тонкое измельчение и однородность. Затем материалы смешивают с водой, получая однородную сметанообразную массу, называемую шликером. Санитарно-технические изделия изготовляют в настоящее время преимущественно способом литья в гипсовых формах. После того как гипс впитает избыток воды из шликера, отформованные изделия вынимают из форм, подсушивают в естественных условиях, оправляют и подают Е искусственную сушилку, где сушат до влажности 1--2%. Высушенные изделия покрывают слоем глазури и обжигают в периодических или непрерывно действующих печах. Обжиг ведется в капселях при температуре 1250--1300° С.

Большое распространение получили ванны, изготовленные указанным выше способом из высокопрочного фаянса и покрытые глазурью различных оттенков. Ванны имеют прямоугольную форму и плоское дно, полые стенки переходят по контуру ниже дна в пустотелые ребра, которыми ванна опирается на пол. Эти ванны отличаются от чугунных монументальной формой, красотой и прочностью глазури, высокой гигиеничностью и малой теплопроводностью.

Трубы канализационные и дренажные

Керамические канализационные трубы обладают более высокой стойкостью к агрессивным средам, чем металлические (чугунные) и. железобетонные, что обеспечивает им широкое применение для строительства канализационных сетей, особенно предназначенных для отвода промышленных сточных вод, содержащих большое количество агрессивных веществ.

Вырабатываются канализационные трубы цилиндрической формы длиной 800--1000 и 1200 мм с внутренним диаметром десяти размеров от 100 до 600 мм с интервалами в 50 мм, с раструбом на одном конце для соединений отдельных звеньев. Большой интерес представляет выпуск безраструбных труб с соединительными муфтами из пластамасс, что позволит резко увеличить производительность заводов, вырабатывающих эти изделия. В соответствии с внутренним диаметром толщина стенки трубы бывает от 19 до 41 мм с допуском ±3--4 мм. Раструбы делают глубиной от 60 до 70 ±5 мм с внутренним диаметром от 224 до 734 мм ±8--14 мм. Примерный вес 1 пог. м трубы в зависимости от диаметра составляет 26--200 кг, механическая прочность 2000-- 3000 кГ/пог. м. Водопоглощение для труб I сорта не должно превышать 9%, а для II сорта--11%. Кислотостойкость черепка не менее 90%. Трубы должны выдерживать гидравлическое давление не менее 2 атм. Основным сырьем для производства канализационных труб являются пластичные спекающиеся тугоплавкие глины, дающие общую усадку изделий не более 7--8%. Для уменьшения усадки в массу добавляют 30--40% шамота. Большие размеры, сложные формы и относительно тонкие стенки канализационных труб требуют особенно тщательной подготовки и переработки исходного сырья. Применяют пластический и полусухой способы приготовления формовочной масссы; более эффективен полусухой, обеспечивающий точную дозировку и хорошее смешение компонентов, а также высокую однородность массы, что позволяет лучше механизировать технологический процесс производства. Первичное измельчение глины производится на зубчатых вальцах. После дробления глина поступает на сушку в барабаны, где подсушивается до влажности 9--11%, после чего в магнитном сепараторе очищается от металлических включений, затем тонко размалывается в дезинтеграторе и разделяется по фракциям на ситах разных конструкций.

Шамот приготовляют из огнеупорных глин. Для более удобного обжига ее брикетируют на пресс-вальцах, а брикеты смешивают с коксом и обжигают в шахтных печах. После обжига и охлаждения брикеты дробят в щековых дробилках и размалывают в шаровой мельнице. Просеянный шамот и подготовленная порошкообразная глина из бункеров поступают в смеситель, где перемешиваются в сухом состоянии, а затем увлажняются до 18--20% горячей водой. Для формования труб применяются вертикальные шнековые вакуум-прессы. Отформованные трубы снимают вручную и отвозят на тележках на специальную площадку для подсушки (подвялки), где устанавливают в вертикальном положении раструбом вверх. После подвялки в течение 16--48 ч и обработки (съем фаски, заглаживание торцов, накатка нарезок и маркировка) трубы сушат в сушилках разных конструкций (камерных, туннельных и др.) при температуре 150° С; влажность труб в сушке снижается с 17--18 до 2--3%. Высушенные трубы покрывают снаружи и внутри глазурями, которые увеличивают химическую стойкость труб и, создавая внутри трубы гладкую поверхность, уменьшают гидравлическое сопротивление при прохождении жидкостей. Обжигают канализационные трубы в камерных или туннельных печах при температуре 1250--1300° С в течение 48--60 ч.

Керамические дренажные трубы изготовляют из пластичных глин с добавками или без них. Трубы формуются на горизонтальных вакуумных прессах. Технологический процесс изготовления имеет много общего с процессом изготовления канализационных труб.

Дренажные трубы имеют следующие технические характеристики: внутренний диаметр 25, 40, 50, 75, '100, 125, 150, 175, 200 и 250 мм при длине труб первых пяти диаметров 333 и остальных диаметров 333-- 500 мм; толщина стенок трубы от 8 до 24 мм; морозостойкость 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания, разрушающая нагрузка на 1 трубу почти пропорциональна толщине стенок и находится в диапазоне от 175 до 450 кГ. Черепок трубы должен иметь однородную структуру с водопоглощеиием не выше 18%.

Дренажные трубы изготовляют с раструбом или без него. Для соединения безраструбных труб применяют керамические муфты. Вода поступает в трубы через специальные отверстия, которые могут быть круглыми диаметром около 5 мм или щелевидными, а также через стыки труб (в безраструбных трубах). Внешняя сторона раструбных труб покрывается глазурью. Торцовые плоскости труб должны быть перпендикулярны продольной оси, с тем чтобы в сечении труба имела форму правильного круга.

Дренажные трубы применяют для дренажа строительных площадок при небольших глубинах заложения и при отсутствии больших нагрузок от транспортных средств.

Черепица глиняная

Глиняная кровельная черепица получается путем формования пластической легкоплавкой глиняной массы и последующего обжига. Широкое распространение получила черепица четырех типов: пазовая штампованная, пазовая ленточная, плоская ленточная и коньковая (27). Черепица применяется для устройства кровельных скатов и коньков. Этот вид кровельного материала может конкурировать с любым другим по долговечности, архитектурным качествам и по стоимости. По назначению черепица подразделяется на рядовую -- для покрытия скатов кровли, коньковую -- для покрытия коньков и ребер, разжело-бочную -- для покрытия разжелобков, концевую-- для замыкания рядов (половинки и косяки) и черепицу специального назначения.

Черепица всех видов должна быть правильной формы, с ровными краями и гладкими поверхностями без трещин и короблений. При наличии на перекрываемых кромках черепицы двух трещин изделия отно^ сят ко второму сорту. Искривление поверхности и ребер допускается не более 4 мм, а отколы шипов для подвески -- не более '/з их высоты.

Кровельная черепица должна быть хорошо обожженной, равномерно окрашенной и прочной, при легком ударе стальным молотком издавать чистый звук; глухой или дребезжащий звук свидетельствует о неудовлетворительном обжиге и наличии трещины. При испытании на изгиб стандартная черепица в воздушно-сухом состоянии должна выдерживать без следов разрушения нагрузку не менее 70 кГ; морозостойкость ее не ниже 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Черепица может быть покрыта глазурью.

Основным сырьем для производства черепицы является легкоплавкая пластичная глина, которую тщательно обрабатывают для разрушения природной структуры, удаления твердых включений и повышения пластичности. Глина должна обладать хорошими формовочными и сушильными свойствами и давать после обжига хорошо спекшийся прочный черепок. Целесообразно вводить в массу 10--15% шамота, что уменьшает усадку и коробление изделий при сушке и обжиге. Для получения высокого качества необходима естественная подготовка глин -- вылеживание, вымораживание. Глину, пропущенную через бегуны и глиномялку, укладывают в хранилище для вылеживания на срок до 20 суток. Вылеживание массы во влажном состоянии способствует повышению ее пластических свойств, однородности состава и равномерному распределению в ней влаги. После вылеживания массу вторично пропускают через бегуны и глиномялку.

Схема производства ленточной черепицы показана на 28. Глина из хранилища 1 подается грейфером 2 з ящичный подаватель 3, затем по конвейеру 4 в камневыделительные вальцы 5 и бегуны мокрого помола 6, куда одновременно поступают добавки. После этого масса пере-' дается через вальцы тонкого помола 7 в ленточный вакуум-пресс 8. Автомат 9 разрезает ленту на отдельные черепицы, которые на сушильных вагонетках 10 поступают в туннельную сушилку 11. После сушки черепицу на печной вагонетке 12 транспортируют в туннельную печь 13 для обжига.

Формуют ленточную черепицу в ленточных вакуумных прессах, а штампованную -- в салазочных, револьверных и эксцентриковых прессах-автоматах и полуавтоматах. На 29 показан револьверный пресс для штампования черепицы, а на 30 -- салазочный пресс.

Сушат черепицу в сушилках различного типа: широкое применение имеют туннельные сушилки, где в качестве теплоносителя применяется горячий воздух. В начальной стадии сушки, пока сырец не получил достаточной прочности, очень важно обеспечить правильный тепло-и влагообмен и обтекание теплоносителем изделий. Срок сушки 48--72 ч. При выработке глазурованной черепицы глазурь пистолетом-распылителем наносят на лицевую поверхность высушенного изделия. Последняя стадия производства -- обжиг -- ведется при температуре 950--* 1000° С в туннельных или кольцевых печах. Готовую черепицу сортируют, упаковывают в деревянную тару и хранят в закрытых помещениях.

Керамическая кровельная черепица применяется главным образом в сельском малоэтажном строительстве. Кровли из черепицы отличаются долговечностью, высокой огнестойкостью, устойчивостью к атмосферным воздействиям и высокими эксплуатационными качествами, не нуждаясь в периодических покрасках и не подвергаясь коррозии. Черепицу укладывают на деревянную обрешетку кровель, на которой она удерживается шипами тыльной стороны. Уклон черепичной кровли должен быть не менее 30°. К недостаткам керамической черепицы относятся необходимость большого уклона кровли и значительный вес 1 м2 кровли, что требует особой прочности конструкции стропил, а также высокая трудоемкость кровельных работ.

Керамзитовый гравий

Керамзитовый гравий представляет собой пористый гранулированный материал ячеистого строения с закрытыми мелкими порами, получаемый путем обжига, сопровождающегося вспучиванием легкоплавкой глинистой массы. Он легкий, прочный, морозостойкий и низкотеплопроводный и является одним из лучших заполнителей для легких бетонов объемным весом 800--1200 кг/мъ. Такие бетоны обладают хорошими теплоизоляционными свойствами.

По размеру зерен керамзитовый гравий делится на три фракции: от 5 до 10, от 10 до 20 и от 20 до 40 мм. Зерновой состав фракций находится в следующих пределах.

Гранулы керамзитового гравия эллипсовидной или округлой формы с оплавленной поверхностью. Основной характеристикой гравия является объемный насыпной вес, в зависимости от которого он подразделяется на 6 марок с соответствующим пределом прочности при сжатия

Изготовляется специальный гравий марок 800 и 1000 (соответственно объемному весу), применяемый для конструктивных легких бетонов высокой прочности. Прочность этого гравия на сжатие должна быть не менее 40 кГ/см2.

Влажность гравия не превышает 2% по весу, морозостойкость соответствует не менее 15 циклам попеременного замораживания и оттаивания, причем потеря веса при этом не должна превышать 10%.

Сырьем для производства керамзитового гравия служат легкоплавкие глины, содержащие 6--12% окислов железа, 2--3% щелочных окислов и до 3% органических примесей, а также глинистые сланцы, способные вспучиваться в условиях термической обработки. Коэффициент вспучивания сырья должен быть выше 4. Температура обжига массы находится в пределах 1050--1300° С.

Способность глин вспучиваться зависит не только от их химического и минерального состава, но и от условий подготовки шихты и формования гранул (влажности, размера, формы), температуры и продолжительности нагревания гранул на различных стадиях термической обработки. При недостатке в глине органических примесей в нее вводят торфяную крошку, угольную пыль и прочие добавки, способствующие образованию пор. При обжиге глины происходит разрушение органических добавок с выделением газов и водяных паров, которые и вспучивают частично расплавленную массу, образуя в ней поры. Спекание глины и образование закрытых пор заканчивается в момент интенсивного газовыделения.

Технологический процесс производства керамзитового гравия можно разделить на четыре этапа: подготовка глиняной массы, формование гранул, тепловая обработка и охлаждение готового гравия.

Подготовку глиняной массы можно вести сухим или пластическим способом, большее распространение получил пластический способ, сухой способ применяют при наличии глин, которые можно дробить в состоянии естественной влажности (в карьерах). Дробят глины в ще-ковых дробилках или зубчатых вальцах до получения крошки определенной величины. Применение дробилок СМ-739/740 позволяет получить крошку шарообразной формы, которая перед обжигом сортируется на фракции определенных размеров. Пластическим способом перерабатывают рыхлые глины, которые после обработки на зубчатых вальцах и в глиномешалке поступают на дырчатые вальцы, где формуются гранулы.

При обжиге керамзитового гравия происходят следующие процессы: испарение физически связанной воды; удаление химически связанной воды путем дальнейшего нагрева глинистого материала; вспучивание материала под давлением газов (СО2 и др.), образующихся в результате разложения и взаимодействия компонентов массы. Обжигают керамзитовый гравий во вращающихся печах барабанного типа. Более эффективны двухбарабанные печи, имеющие два барабана с самостоятельным приводом: первый барабан (более длинный) предназначен для предварительной тепловой обработки гранул, а второй большего диаметра-- для их вспучивания. Длина барабанов обычно 20--50, диаметр 1,5--3,5 м, производительность печей до 15 м3/ч. Обжиг ведут при температуре до 1300° С в течение 30--60 мин.

Выходящий из печи вспученный керамзит имеет температуру в пределах 1000° С, его прочность и водопоглощение зависят от условий охлаждения, которое проводят в барабанных холодильниках. Процесс охлаждения весьма трудоемкий и продолжительный, так как коэффициент полезного действия холодильников невысок, а кроме того, .холодильники громоздки и занимают большую площадь. Охлажденный до температуры 50--70° С гравий транспортируют на склад готовой продукции. На небольших слабо механизированных предприятиях керамзитовый гравий охлаждают в ямах, расположенных вблизи обжиговых печей; такое охлаждение требует длительного времени.

Охлажденный керамзит на складе сортируют по величине гранул на фракции. Гранулы, имеющие размеры больше 40 мм, дробят в молотковых или валковых дробилках и сортируют. Гравий, рассортированный по маркам, поступает в бункера, откуда погружается на транспортные средства. Хранение гравия в штабелях на открытых площадках не обеспечивает условий для поддержания стабильной влажности ниже 2%.

В течение всех процессов производства керамзитового гравия следует систематически контролировать качество сырья, полуфабриката, работу оборудования, температурный режим и, наконец, качество готовых изделий.

Специальный кирпич

Дорожный кирпич, называемый также клинкерным кирпичом, представляет собой искусственный камень, получаемый путем обжига глиняной массы до полного спекания, но без остеклования поверхности. Размеры кирпича 220x110x65 мм; в соответствии с пределом прочности при сжатии он подразделяется на 3 марки--1000, 700 и 400. Кирпич должен быть прочным, морозоустойчивым, не хрупким.

Водопоглощение дорожного кирпича по маркам составляет не более 2, 4 и 6% (по весу), морозостойкость соответственно 100, 50 и 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания, объемный вес не менее 1900 кг/м3.

Для изготовления клинкерного кирпича применяются глины, имеющие тонкозернистое сложение, обладающие связностью в сухом состоянии и хорошо формующиеся, спекающиеся без деформации при температуре в пределах не выше 1200--1300° С. Интервал плавкости глин должен быть возможно большим, что обеспечивает получение при обжиге хорошо спекшегося, плотного и прочного черепка.

Кирпич можно изготовлять способом пластического или полусухого прессования. Последний способ имеет ряд существенных преимуществ перед пластическим: сырец почти не требует предварительной сушки, обработка сухой массы проще и дешевле, усадка сырца значительно меньше и не влечет деформаций и трещин, выпускать кирпич можно круглый год, процесс производства значительно проще механизировать.!

Обжигают кирпич в туннельных печах системы Артемкина". Весь цикл обжига клинкерного кирпича длится 36--48 ч. После обжига и охлаждения кирпич сортируется на следующие партии: хорошо обожженный кирпич правильной формы; кирпич с незначительными деформациями и частично недожженный; недожженный клинкер, который может быть использован как строительный кирпич; пережженный кирпич со значительными деформациями, который дробят на щебень.

Дорожный кирпич применяют для покрытия дорог и мостовых, обмуровки канализационных коллекторов и облицовки набережных, а также в химической промышленности как кислотостойкий материал.

Кирпич кислотоупорный нормальный по форме подразделяют на прямой и клинообразный. Размеры: прямого кирпича 230x113x65 мм; клина торцового двустороннего 230x113X65--55 мм; клина ребрового двустороннего 230X113X65--55 мм. По физико-химическим и механическим показателям и внешнему виду кирпич подразделяется на три сорта: 1, 2 и 3. Характеристика их дана в табл. 17.

Керамические детали перекрытий

Эти детали изготовляют в сравнительно небольшом ассортименте. Можно назвать следующие виды изделий: камни для часторебристых перекрытий; камни для армокерамических балок; камни для накатов (заполнители между балками). Все эти изделия делаются пустотелыми, что облегчает вес конструкций.

Технологические трудности, связанные с изготовлением крупногабаритных монолитных керамических изделий, заставили пойти на выпуск составных армированных конструкций для перекрытий, собираемых из отдельных керамических деталей. Так, армокерамические балки, имеющие длину до 6 м, состоят из 5--6 отдельных элементов. Камни для этих балок изготовляют объемным весом до 1300 кг/м3, марок 75--200, камни для накатов -- объемным весом до 1000 кг/м3, марок 35, 50 и 70, камни для часторебристых перекрытий -- объемным весом до 1000 кг/м3, марок 50--200. Марки камней устанавливаются в соответствии со средним пределом прочности при сжатии в кГ/см2.

Толщина стенок камней всех видов должна быть не менее 10 мм. Сырьем для изготовления пустотелых изделий для перекрытий 6--12 является глина средней пластичности без комьев и включений, хорошо измельчаемая. Масса должна быть тщательно перемешана и обладать пластичностью, обеспечивающей формование изделий сложной конфигурации. Технология производства керамических изделий для перекрытий аналогична технологии производства обыкновенного глиняного кирпича способом пластического формования.

Применение керамических камней для перекрытий весьма ограничено. Камни для армокерамических балок применяются в основном в сельском строительстве, камни для часторебристых перекрытий -- в зданиях и сооружениях городского типа. Оба вида камней не применяются в перекрытиях, подвергающихся вибрациям или действию больших сосредоточенных нагрузок. Камни для накатов используются для заполнения между балками армокерамических или железобетонных перекрытий.

Классификация вяжущих веществ

Строительные неорганические вяжущие вещества в зависимости от состава, основных свойств и области применения делятся на три основные группы: воздушные, гидравлические и кислотостойкие.

Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, способны твердеть, т. е. переходить в камневидное состояние, долго сохранять и повышать свою прочность только на воздухе. Представителями воздушных вяжущих веществ являются гипсовые и магнезиальные, а также воздушная известь.

Гидравлические вяжущие вещества после затворения их водой способны твердеть, а после предварительного твердения на воздухе продолжать сохранять и наращивать свою прочность в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности,, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый цемент и расширяющиеся цементы, гидравлическая известь и романцемент. Их используют как в надземных, так и в подземных и подводных конструкциях.

Различают также вяжущие вещества автоклавного твердения, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке под давлением насыщенного пара в 8--16 атм и более при температуре 170-- 200° С и выше. В группу вяжущих веществ автоклавного твердения входят: известково-кремнеземистые, состоящие из извести и кварцевого песка, маршалита и других кремнеземистых материалов; известково-нефелиновые, состоящие из извести и нефелинового шлама; песчаные портландцемента, которые хотя и могут твердеть в других условиях, но дают значительно более высокий прирост прочности при автоклавном режиме твердения.

К группе кислотоупорных вяжущих веществ относится кислотоупорный кварцевый креынефтористый цемент, представляющий собой тонкоизмельченную смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяемый водным раствором силикатов натрия или калия. Эти вяжущие после затвердения на воздухе могут продолжительное время сопротивляться агрессивному воздействию минеральных и других кислот.

Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества делятся на две группы -- низкообжиговые и высокообжиговые. Низкбобжиговые 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).

Сырьем для производства гипсовых вяжущих являются природный гипсовый камень CaSC>4-2H2O и природный ангидрит CaSO4, а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс.

Строительный гипс

Строительным гипсом называется воздушное вяжущее вещество, состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемое путем термической обработки гипсового камня при температуре 150--160° С. При этом CaSOi >2Н2О, содержащийся в гипсовом камне, дегидратируется по реакции:

CaSO4 * 2Н2О -»- CaSOi * 0,5Н2О + 1,5Н2О -- q.

Производство строительного гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня

Имеется несколько технологических схем производства строительного гипса; по одним -- предварительная сушка и помол сырья в порошок предшествует обжигу, по другим -- помол производится после обжига, а по третьим помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига во взвешенном состоянии.

Тепловую обработку гипсового камня можно осуществлять в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных или других мельницах. Выбор того или иного обжигательного аппарата зависит от масштабов производства, сырья, требуемого качества готовой продукции и ряда других факторов. Наиболее распространена технологическая схема с применением варочных котлов ( 31).

Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят в щековых, конусных или молотковых дробилках, затем с одновременным подсушиванием измельчают в мельнице. Процесс сушки и помола целесообразно совмещать в одном аппарате, например в шахтной, аэродробильной или шаровой мельнице. Наибольшее распространение получила шахтная мельница (32), состоящая из молотковой мельницы и расположенной над ней шахтой высотой 12--15 м. В нижней части шахты имеются каналы, подающие теплоноситель (горючие газы) с температурой 300--500° С из топок варочных котлов. Молотковая мельница размещена несколько ниже. Гипсовый камень в виде щебня размером 3--4 см подается в мельницу тарельчатым питателем через течку в верхней части камеры, встречает на своем пути быстро вращающиеся била мельницы и измельчается в тонкий порошок. В мельнице из гипса удаляется и некоторая часть кристаллизационной воды.

Воздушные вяжущие

Варочный котел периодического действия (33) представляет собой обмурованный кирпичом стальной барабан / со сферическим днищем 2, обращенным выпуклой стороной внутрь цилиндра. Для перемешивания гипса в котле имеется мешалка 3, приводимая в движение электродвигателем 4. Раскаленные топочные газы обогревают днище и стенки котла, а также проходят через жаровые трубы 5 внутри котла и в охлажденном состоянии удаляются по дымовой трубе. Продолжительность варки 90--180 мин, причем выдержка 3--4 ч при 140--150° С способствует уменьшению водопотребности гипса -и повышению его прочности. Водопотребность значительно снижается при варке его с добавкой поваренной соли. Полученный полуводный гипс выпускают из котла через люк 6 в бункер выдерживания, где он охлаждается и несколько повышается его качество, а затем гипс поступает на склад готовой продукции. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что . позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива. В сушильных барабанах вращающихся печей (34) гипс получают обжигом гипсового камня в виде щебня с размером зерен до 20 MAI..

Обжигательной частью сушильного барабана служит наклонный стальной цилиндр диаметром до 2,5 и длиной до 20 м, установленный на роликовые опоры и непрерывно вращающийся. Гипсовый щебень подается в барабан с его приподнятой стороны и при вращении барабана перемещается вниз. Из топки в барабан поступают раскаленные дымовые газы с температурой 600--700° С, которые вентилятором удаляются с противоположной стороны барабана с температурой около 100° С. При движении вдоль барабана газы встречают гипсовый камень и обжигают его. Обожженный гипс измельчают в одно- или двухкамерных шаровых мельницах, получая строительный гипс, который хранят обычно в круглых силосах диаметром 6--10 м.

При обжиге гипса во взвешенном состоянии совмещают две операции-- измельчение и обжиг. По этой схеме (35) последовательность операций такая. Поступающий со склада гипсовый камень сначала дробят в щековой дробилке, а затем в молотковой до получения зерен размером 10--15 мм. Раздробленный материал элеватором через расходный бункер подается в шаровую мельницу, в которой осуществляется совместный помол и обжиг гипсового щебня. В шаровую мельницу из специальной топки поступают дымовые газы с температурой 600--700° С. Образующиеся в процессе измельчения частицы гипса увлекаются из мельницы потоком горячих дымовых газов, дегидратируются в этом потоке до полуводной модификации и попадают через сепаратор в пылеосади-тельные устройства. В сепараторе выделяются крупные зерна гипса, которые возвращаются в мельницу на дополнительное измельчение. В пы-леосадительных устройствах обезвоженный гипс выделяется из газового потока и направляется в бункер готовой продукции, а очищенные газ-ы выбрасываются в атмосферу. Получение гипса при совмещенном помоле и обжиге отличается главным образом типами мельниц и дробилок, а также тем, что иногда мельницы работают с рециркуляцией газов, прошедших пылеосадительные аппараты.

Наибольшая производительность обеспечивается при совмещенном помоле и обжиге гипса, несколько меньшая -- при обжиге в сушильном барабане и наименьшая при варке в котлах. Однако качество гипса в последнем случае значительно выше.

Схватывание и твердение строительного гипса

Схватывание и твердение вяжущего вещества заключается в том, что при смешивании с водой оно образует пластичное тесто, превращающееся впоследствии в твердое камневидное тело с определенной прочностью. Это превращение происходит не сразу, а постепенно и обусловливается рядом химических и физических процессов.

При схватывании и твердении гипса полугидрат переходит в кристаллический двуводный гипс. Ле Шателье объясняет твердение вяжущего возникновением кристаллического сростка гидратных новообразований, выпадающих из раствора. При затворении вяжущего водой оно начинает растворяться с образованием насыщенного по отношению к вяжущему раствора. В результате реакции в растворе между компонентами вяжущего и водой возникают новообразования менее растворимые, чем исходное вещество. По отношению к этим соединениям раствор оказывается пересыщенным, вследствие чего и происходит их выкристаллизовы-вание.

Растворимость полуводного гипса примерно в 3,5 раза выше растворимости двуводного, поэтому раствор, насыщенный по отношению к полуводному гипсу, становится пересыщенным по отношению к двуводному> вследствие чего последний будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Это в свою очередь вызывает уменьшение концентрации полуводного гипса в жидкой фазе и создает возможность для растворения его новых порций до образования пересыщенного раствора, из которого снова будут выделяться кристаллы двуводного гипса. Этот процесс продолжается до полной гидратации и кристаллизации всего полуводного гипса.

А. А. Байков считает, что при твердении полуводного гипса кроме процессов растворения и кристаллизации имеет значение и процесс кол-лоидации. По достижении насыщенного по отношению к полуводному гипсу раствора взаимодействие воды с твердым полуводным гипсом вследствие большого химического сродства между ними продолжается на поверхности (топохимически). Получающийся при этом двуводный гипс не способен растворяться, так как раствор по отношению к нему является пересыщенным и будет выделяться в неустойчивом коллоидно-дисперсном состоянии. Этот двуводный гипс с течением времени кристаллизуется. Количество образующихся вытянутых кристаллов двугидрата все увеличивается, они располагаются в разных направлениях и переплетаются между собой, причем одновременно с этим продолжается рост выделившихся кристаллов.

По теории А. А. Байкова, процесс твердения строительного гипса и других минеральных вяжущих веществ, образующих гидратные соединения, делится на три периода.

Первый период, начинающийся с момента смешения гипса с водой,-- растворяется полуводный гипс и образуется насыщенный раствор.

Второй период -- взаимодействие воды 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.

Третий период (кристаллизация и твердение) характеризуется превращением студня в кристаллический сросток.

Эти периоды по А. А. Байкову наступают не в строгой последовательности один за другим. Так, еще до образования насыщенного раствора образуется коллоидальная масса, а превращение ее в кристаллы начинается ранее окончания процесса коллоидации во всей массе затворенного гипса. Образовавшиеся кристаллы CaSO4-2H2O срастаются в единый кристаллический сросток, что и обусловливает рост прочности гипсового камня. В дальнейшем при высыхании прочность его увеличивается, так как потеря воды способствует более прочному сращиванию.

Изучение процесса твердения вяжущих веществ позволило глубже проникнуть в его сущность, однако полного представления об этих процессах еще нет. Теории твердения вяжущих веществ (Ле Шателье, Миха-элиса, Байкова) подверглись дальнейшему развитию. В СССР развитию теории твердения гипса в последние годы способствовали исследования П. П. Будникова, П. А. Ребиндера, В. Б. Ратинова и др. По теории П. А, Ребиндера и Е. Е. Сегаловой с сотрудниками, гидратация полуводного гипса идет по схеме Ле Шателье, но через коагуляционный и кристаллизационный периоды.

Современный уровень знаний позволяет резюмировать, что затвердевание и упрочнение гипса объясняется срастанием мельчайших (коллоидных размеров) малорастворимых кристалликов двугидрата гипса в процессе образования их из раствора при сильном его пересыщении, поддерживаемом (пока идет химическая реакция гидратации гипса) более высокой растворимостью исходного вещества. При этом рост прочности системы обычно заканчивается несколько раньше полного перехода полуводного гипса в двуводный. Последующее прекращение роста прочности или даже разупрочнение затвердевшего гипса объясняется частичным разрушением структуры под влиянием внутренних напряжений, возникающих в процессе направленного роста кристалликов, спаянных между собой контактами срастания и образующих сплошную кристаллизационную структуру затвердевшего гипса.

Гидратация основной массы полуводного гипса и кристаллизация двугидрата практически заканчиваются одновременно через 20--40 мин после затворения. К этому же времени достигается и максимальная прочность системы во влажном состоянии. По мере высыхания прочность затвердевшего гипса повышается, что объясняется уже не дальнейшими процессами гидратации, а испарением воды. При этом из водного раствора выделяется двуводный гипс, способствующий упрочнению контактов между кристаллическими сростками. Предполагается также, что при удалении воды, смачивающей поверхность кристаллов, устраняется их взаимное скольжение, что приводит к повышению прочности затвердевшего гипса. При полном высыхании дальнейший рост прочности прекращается.

Процесс твердения гипса можно ускорить сушкой, но при температуре не выше 65° С во избежание повторной дегидратации двуводного гипса.

Свойства строительного гипса

На свойства гипса большое влияние оказывает количество воды затворения и тонкость помола.

При затворении гипса количество воды всегда берется больше, чем это необходимо для химических реакций. Практически для получения теста нормальной густоты требуется 50--70% воды от веса обычного строительного гипса. На химические же реакции нужно только 18,6% воды. Избыточная вода испаряется, образуя поры, поэтому-гипсовые изделия имеют обычно высокую пористость (50--60%). С увеличением количества воды затЕорения плотность гипса уменьшается и, наоборот, с уменьшением плотность и прочность гипса увеличиваются.Водопотребность гипса увеличивается с повышением тонкости помола. Последняя характеризуется остатком на сите № 02 (размер ячейки сита в свету 0,2 мм); для первого сорта этот остаток должен быть не более 15, а для второго не более 30%. Более тонкий помол гипса способствует увеличению его прочности даже при некотором увеличении водопотребности.

Весьма быстрое схватывание гипса затрудняет в ряде случаев его 'р использование и вызывает; необходимость в замедлителях схватывания |!' (кератиновый и известково-клеевой замедлители, сульфитно-спиртовая , барда и др.) в количестве 0,1--0,3% веса гипса. Их ввод снижает нормальную густоту гипсового теста на 10--15%, что способствует увеличению прочности гипсовых изделий.

Строительный гипс является быстросхватывающимся и быстротвердеющим вяжущим веществом: начало схватывания должно наступать не ранее 4 мин, а конец -- не позднее 30, но не ранее 6 мин с момента за-творения водой. Сроки схватывания гипса зависят от свойств сырья, условий изготовления, длительности хранения, количества вводимой воды температуры вяжущего и воды, наличия добавок и др. Ускоренную гидратацию полуводного гипса вызывают содержащиеся в нем неразложив-шиеся частицы двугидрата; при пониженном количестве воды схватывание гипса ускоряется, и наоборот. Повышение температуры гипсового теста до 40---45° С способствует ускорению его схватывания, а выше этого предела, наоборот, замедлению. При необходимости ускорить схватывание гипса к нему добавляют двуводный гипс, поваренную соль, серную кислоту. Замедлители схватывания уменьшают скорость растворения или растворимость полуводного гипса. Ускорители схватывания действуют по-иному: одни из них повышают растворимость полуводного гипса, другие (двуводный гипс) образуют центры кристаллизации, вокруг которых быстро закристаллизовывается вся масса.

Прочность гипса определяют испытанием образцов-кубов размером. 7,07X7,07X7,07 см, приготовленных из гипсового теста нормальной густоты. В зависимости от тонкости помола предел прочности при сжатии образцов через 1,5 ч после их изготовления должен быть не менее 45 и 35 кГ/см2 соответственно для первого и второго сорта.] Прочность образцов, высушенных до постоянного веса при температуре до 70°С, в 2-- 2,5 раза больше прочности образцов в возрасте 1,5 суток. В сухом состоянии образцы строительного гипса могут достигать прочности при сжатии 180--200 КГ/CMV

Применяется строительный гипс для производства гипсовых и гипсобетонных строительных изделий для внутренних частей зданий:- перегородочных плит, панелей, сухой штукатурки, для приготовления гипсовых и смешанных растворов, а также производства декоративных и отделочных материалов, например искусственного мрамора

Высокопрочный гипс

Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного rancgLj При нагревании природного гипсового камня при нормальном давлении получается обычный строительный гипс. В этих условиях образуются мелкие кристаллы полуводного сернокислого кальция (3-модификации; такой гипс обладает повышенной водопотребностью (60--65% воды). Избыточная вода, т. е. сверх потребной на гидратацию гипса, испаряется, вследствие чего затвердевший строительный гипс имеет высокую пористость до 40% и, соответственно, небольшую прочность. При нагревании же природного гипса паром под давлением до 1,3 ат при 124° С в течение 5 ч с последующей сушкой при температуре 140--160° С получается полуводный гипс а-модификации. При этом образуются более крупные кристаллы, обусловливающие меньшую водопотребность гипса (45--40% воды), что позволяет получать гипсовый камень с большей плотностью и прочностью. Такой гипс называют высокопрочным -- прочность его на 7-е сутки достигает 150--400 кГ/см2.

В зависимости от характера тепловой обработки все известные способы производства высокопрочного гипса разделяют на автоклавные и термообработку в жидких средах. Первые основаны на обезвоживании гипса в среде насыщенного пара при давлении выше атмосферного в герметических аппаратах; вторые -- на обезвоживании гипса в процессе кипячения в водном растворе хлористого кальция или хлористого магния при атмосферном давлении с последующей сушкой и измельчением.

Высокопрочный гипс выпускается пока в небольшом количестве и расходуется в основном в металлургической промышленности для изготовления форм. Однако он успешно может заменить обыкновенный строительный гипс, обеспечив высокую прочность гипсовым изделиям.

Формовочный гипс

Формовочный гипс отличается от строительного более тонким помолом, большей прочностью и постоянством свойств. Получают его из гипсового камня, содержащего не менее 96% CaSO4 * 2Н2О в варочных котлах при определенной длительности цикла и заданной температуре. Он состоит в основном из р-полугидрата. Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 02 не более 2,5%. Начало схватывания не ранее 5 мин, а конец не ранее 10 и не позднее 25 мин. Предел прочности при растяжении через 1 сут. не менее 14, а через 7 сут. не менее 25 кГ/см2.

Формовочный гипс применяют для изготовления форм, моделей и изделий в строительной, керамической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Ангидритовые вяжущие вещества

Ангидритовый цемент получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600--700° С с последующим измельчением совместно с добавками -- катализаторами твердения (известью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоросом, обожженным доломитом, основным доменным гранулированным шлаком, золами горючих сланцев, золами ТЭЦ и др.).)

Ангидритовое вяжущее было предложено П. П. Будниковым, по данным которого оптимальные дозировки катализаторов были: 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 купорос 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 виде неустойчивого сложного гидрата mCaSO4 * яН2О, который в дальнейшем распадается, образуя CaSO4 * 2Н2О.

Ангидритовый цемент можно получить также путем помола природного ангидрита с указанными добавками,-^Ангидритовый цемент -- медленно схватывающееся вяжущее: начало не ранее 30 мин, конец -- не позднее 24 ч. По прочности на сжатие, различают марки 50, 100, 150 и 200.

Применяют ангидритовые цементы для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий.

Разновидностью ангидритового цемента является высокообжиговый гипс (эстрих-гипс), получаемый обжигом природного гипса или ангидрита при температуре 800--1000° С с последующим тонким измельчением. При этом происходит не только полное обезвоживание, но и частичная диссоциация (разложение) ангидрита с образованием СаО (в количестве 3--5%) по реакции CaSO4 = CaO + SO3. При затворении эстрих-гипса водой СаО действует как катализатор по схеме твердения ангидритового цемента, рассмотренной выше.

1 Согласно СНиП I-B.2-62 высокообжиговый гипс делят на три марки: 100, 150 и 200. Тонкость помола его соответствует остатку на сите № 06 (139 отв/см2) не более 2%, а на сите № 02 -- не более 10%. Гипс медленно схватывается и твердеет: начало схватывания не ранее 2 ч, конец -- через 6--8 ч после затворения водой. Ускорить процесс схватывания можно повышением тонкости помола, а также добавкой квасцов и других солей. При твердении высокообжиговый гипс в отличие от строительного хотя и незначительно, но уменьшается в объеме. Объемный вес в рыхлом состоянии 900--1200, а в уплотненном -- 1300-- 1700 кг/м3.

Высокообжиговый гипс применяют для кладочных и штукатурных растворов, устройства мозаичных полов, выработки искусственного мрамора и др. Изделия из высокообжигового гипса мало тепло- и звукопро-водны, они обладают по сравнению с изделиями из строительного гипса более высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям

Магнезиальные вяжущие вещества

Разновидностями магнезиальных вяжущих веществ являются каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магнезита MgCO3 в шахтных или вращающихся печах при 700--800° В результате магнезит разлагается по реакции MgCOe--^MgO + CO акция разложения MgCO3 обратимая, поэтому при обжиге магнезита необходимо интенсивно удалять из печи СО2 при помощи естественной или искусственной тяги. Оставшееся твердое вещество -- окись магния -- измельчают в тонкий порошок и упаковывают в металлические барабаны. Обожженный магнезит целесообразно размалывать в шаровой мельнице с сепаратором.

Каустический магнезит твердеет сравнительно быстро: схватывание его должно наступать не ранее 20 мин, а конец -- не позднее 6 ч от момента затворения. Марки каустического магнезита по СНиП 1-В.2г62 по показаниям прочности при сжатии образцов-кубов из жесткого трамбованного раствора состава 1 : 3 по весу через 28 суток воздушного твердения установлены 400, 500 и 600.

Каустический доломит MgO * СаСО3 получают путем обжига при 650--750° С природного доломита MgCO3 * СаСО3 с последующим тонким измельчением продукта. При температуре обжига СаСО3 не разлагается и остается в инертном виде как балласт, что делает вяжущую активность каустического доломита ниже, чем каустического магнезита.

Каустический доломит содержит значительное количество углекислого кальция: в нем должно быть не менее 15% окиси магния и не более 2,5% окиси кальция, поэтому качество его ниже, чем каустического магнезита и марки его только 100--300.

Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния. Наиболее распространенным затворителем является раствор хлористого магния MgCb, так как он обеспечивает большую прочность. Магнезиальные вяжущие слабо сопротивляются действию воды, и их можно использовать только при твердении на воздухе с относительной влажностью не более 60%. Каустический магнезит легко поглощает влагу и углекислоту из воздуха, в результате чего образуются гидрат окиси магния и углекислый магний. Поэтому хранить его надо в плотной герметической таре.

На основе магнезиальных вяжущих изготовляют ксилолит (смесь вяжущего с опилками), используемый для устройства полов, фибролит и другие теплоизоляционные материалы. Применяют магнезиальные вяжущие и при производстве изделий для внутренней облицовки помещений, изготовления пенобетона, оснований под чистые полы, скульптурных изделий.

Кислотоупорные цементы

Кислотоупорные цементы применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения башен, резервуаров и других сооружений химической промышленности. Эти цементы состоят из смеси водного раствора силиката натрия (растворимого стекла), кислотоупорного наполнителя и добавки -- ускорителя твердения. В качестве микронаполнителя используют кварц, кварциты, андезит, диабаз и другие кислотоупорные материалы, ускорителя твердения -- кремнефтористый натрий. Вяжущим материалом в кислотоупорном цементе язляется растворимое стекло-- водный раствор силиката натрия Na2O-nSiO2 или силиката калия КгО * nSiOz (величина п указывает отношение числа молекул кремнезема и щелочного окисла и называется модулем стекла; он колеблется в пределах от 2,5 до 3,5).

Растворимое стекло получают при сплавлении в стекловаренных печах при 1300--1400° С измельченного и тщательно смешанного кварцевого песка с кальцинированной содой, сульфатом натрия или с поташом К2СО3. Варка продолжается 7--10 ч, и полученная стекломасса поступает из печи в вагонетки, где быстро охлаждается и распадается на куски. Застывшие куски называют «силикат-глыба». Это стекло при обычных условиях практически нерастворимо в воде, поэтому его растворяют действием пара высокого давления (5--6 атм) при температуре около 150°С, оно сравнительно легко переходит в жидкое состояние, приобретая вяжущие свойства. Твердеет жидкое стекло на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема под действием углекислоты воздуха по реакции

Na2SiOs + СО2 + 2Н2О->- Si (ОН) 4 + Na2CO3.

Но этот процесс протекает на воздухе медленно и ускоряют его добавкой катализатора -- кремнефтористого натрия Na2SiF3. Последний вступает во взаимодействие с растворимым стеклом, в результате чего быстро образуется гель кремнекислоты

Na2SiF6 + 2Na2Si03 + 6H2O -> 6NaF + 3Si (ОН) 4.

Добавка кремнефтористого натрия не только ускоряет процесс твердения, но и повышает водостойкость и кислотоупорность цемента.

Растворимое стекло применяют также для приготовления кислотостойких и жароупорных обмазок, растворов и бетонов; нельзя применять его для конструкций, подверженных длительному воздействию воды, щелочей, а также кислот: фосфорной, фтористоводородной или кремне-фтористоводородной.