Воздушно-вяжущие материалы

В группу воздушно-вяжущих материалов входят: гипсовые вяжущие (строительный гипс, ангидритовое вяжущее, высокообжиговый гипс и другие), магнезиальные вяжущие (каустические магнезит и доломит), воздушная известь,растворимое стекло.Воздушные вяжущие материалы после затворения могут затвердевать и длительно сохранять свою прочность только на воздухе; их применяют лишь для возведения надземных сооружений, не подвергающихся действию воды.

Гипс и известь давно известны строителям своим свойством затвердевать и сохранять свою прочность без воздействия воды. Именно по этому они получили название воздушных вяжущих материалов. В природе эти вещества встречаются в виде минералов, но прежде чем попасть в руки строителя они проходят ряд промышленных обработок.

Воздушная известью (негашенная известь).Воздушной известью называют вяжущее вещество, получаемoe обжигом карбонатных пород (известняков, мела, доломитов и т.п.), удовлетворяющих требованиям ГОСТ 5331-50 "Породы карбонатные для производства строительной воздушной извести". В результате обжига получают кусковой продукт - известь негашеную комовую-кипелку, главной составной частью которой являются окиси кальция и магния. (CaO-f-MgO). Удельный вес кипелки комовой 3,1. Объемный вес россыпи 900- 1200 кг/м Продукт тонкого помола кипелки называется негашеной молотой известью. При гашении комовой или молотой извести ограниченным количеством воды получается тонкий порошок-гидратная известь пушонка, а при избытке воды-известковое тесто. Объемный вес пушонки 450-500 кг/м3, удельный вес около 2,1 в рыхлом состоянии. Известь строительная воздушная применяется для приготовления вяжущих материалов, строительных растворов,бетонов, при производстве различного рода искусственных безобжиговых камней, в производстве силикатного кирпича, искусственных строительных камней и блоков, а так же используют как добавку при производстве цементов и т. д. При содержании MgO до 5% известь называется маломагнезиальной, от 5 до 20% -магнезиальной и от 20 до 41% -доломитовой.Для оценки качества извести в построечных условиях определяют: 1) скорость гашения; 2) выход теста; 3) содержание непогасившихся зерен; 4) крупность частиц; 5) влажность. Полученные с использованием извести строения имеют способность впитывать и накапливать сырость.

 Строительный гипс производят при термической обработке в специальных варочных котлах дробленного гипсового камня. Главной отличительной особенностью гипса стало достаточно малое время схватывания материала, т.е. гипс быстро застывает после затворения водой.Гипсовый камень, поступающий на фабрика в больших кусочках, поначалу дробят, потом размельчают в мельнице, сразу подсушивая его. В пылеобразном виде камень ориентируют в варочный котел повторяющегося либо в установку бесперебойного действия. Последняя имеет в 2...3 раза больше продуктивность, но еще располагается в этапа реального освоения.

 В зависимости от  условий температуры производства  и скорости схватывания, твердения  гипсовые материалы делят на 2 группы:

• быстросхватывающиеся и  быстротвердеющие (низкообжиговые) - строительный и формовочный гипс, высокопрочный гипс, гипсоцементнопуццолановые вяжущие; Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса CaS04-2H20 до температуры 150...160°С с неполной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный гипс CaSO4-0,5H2O.

• медленно схватывающиеся и медленно твердеющие (высокообжиговые) - ангидритовый цемент, высокообжиговый гипс (эстрих-гипс).  Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высочайшей температуре до 700... 1000°С с полной утратой химически связанной влаги и образованием безводного сульфата кальция — ангидрита CaS04. К низко-обжиговым относится строительный, формовочный и прочный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый бетон и эстрих-гипс.

В основном строительный гипс сейчас применяется для штукатурных  и кладочных работ.

Сырьем для изготовления гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и натуральный ангидрид CaSCu, также отходы хим индустрии, имеющие в своем составе двуводный либо безводный сернокислый кальций, к примеру фосфогипс. Может быть использование гипсосодержащего натурального сырья в виде сажи и глиногипса.

Гипсовым вяжущим именуют воздушное вяжущее вещество состоящее в большей степени из полуводного гипса и получаемо методом термический обработки гипсового камня при температур 150...160°С. В этих условиях образуются  маленькие кристаллы полуводного сернокислого кальция р-модификации; таковой гипс обладает завышенной водопотребностью   (60...65%   влаги).   Избыточная   влага, т. е.  сверхпотребная на  гидратацию гипса   (15%),  испаряется, образуя поры, по причине чего застывший гипс имеет высокую пористость   (до  40%)   и соответственно  небольшую крепость. Производство  гипса складывается  из  измельчения,  помола  и термический обработки   (дегидратации)   гипсового камня.  Есть некоторое количество технических схем изготовления гипсового вяжущего: в одних помол предшествует обжигу, в остальных помол делается после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном агрегате. Последний метод получил наименование обжига гипса во взвешенном состоянии. Термическую обработку гипсового камня производят  в   варочных  котлах,  сушильных барабанах, шахтных либо остальных мельницах.

Ангидритовое вяжущее вещество (ангидритовый цемент) медленно схватывается твердеет, чем напоминает обыкновенный цемент отличается составом, белым цветом, а также тем, что оно твердеет только на воздухе.Ангидритовый цемент изготовляется из двух видов сырья — гипса или ангидрита

В первом случае цемент получают обжигом гипса при 600— 700° и  последующим тонким его помолом  совместно с минеральными добавками (активизаторами). Можно также изготовлять этот цемент из природного ангидрита, подсушенного или обожженного.

Наиболее употребительные  добавки кислый сернокислый натрий NaHSO4 (0,6%) в смеси с железным купоросом FeSO4 (0,8%), известь (1—5%), обожженный при 900°  доломит (3—8%), доменный гранулированный  шлак (10—15%).

 Начало схватывания  ангидритового цемента наступает  не ранее 30 мин., конец не позднее  12 час. Цемент этот имеет марки  и 100 (при испытании в растворе  состава 1:3 пластичной консистенции), т. е. прочность его ниже, чем  у портландцемента.

Высокообожженное ангидритовое вяжущее(устаревшее название эстрих-гипс) получают из природного гипса обжигом при температуре выше 800° (до 1100°). В отличие от ангидрита, обожженного при более низкой температуре (600—700°) и не способного схватываться без активизаторов, такой высокообожженный ангидрит, размолотый и смешанный с водой, медленно схватывается и твердеет, приобретая прочность на сжатие в образцах из пластичного теста (без песка) через 7 суток —100—150 кг/см2, а через 28 суток—200— 250 кг/см2. Твердение данного вяжущего объясняется тем, что при высокой температуре сернокислый кальций частично разлагается с образованием свободной окиси кальция . Таким образом, ангидрит частично кальцинируется.

 Чем выше  температура обжига, тем больше  образуется извести (при 800°—около  3%, при 1100°—7%). Известь служит  катализатором при твердении ангидрита. Высокообожженное ангидритовое вяжущее применяется для устройства трамбованных полов, штукатурных и кладочных растворов и для изготовления бетона невысоких марок.

Низкообжиговое ангидритовое (ангидритовый цемент) состоит из нерастворимого ангидрита. Его получают обжигом двуводного гипса при 600—700 °С с последующим измельчением продукта в тонкий порошок совместно с различными минеральными активизаторами твердения. Вместо искусственно полученного ангидрита может быть использован природный.

Твердение ангидритовых вяжущих происходит в присутствии сульфатных или щелочных активизаторов. В качестве активизаторов применяют растворимые сульфаты некоторых металлов (Na2S04) NaHS04, K2SO4, Al2(S04)3, FeS04 и др.), а также вещества, отличающиеся щелочным характером (известь, обожженный доломит, основные гранулированные доменные шлаки, золы от сжигания горючих сланцев, содержащие свободный оксид кальция, и др.). В ангидритовый цемент рекомендуется вводить известь в количестве 3—5 %, смесь бисульфата или сульфата натрия с железным либо медным купоросом в количестве 0,5—1 % каждого. Обожженный доломит вводят в количестве 3—8 %, а основной гранулированный доменный шлак— 10—15 %. Активизаторы добавляют в ангидритовый цемент обычно при помоле ангидрита. Те из них, которые хорошо растворимы в воде, можно вводить с водой затворения.

Гипсовый камень обжигают обычно в шахтных печах с выносными  топками или во вращающихся печах. При обжиге в шахтных печах  его предварительно измельчают в  щековых дробилках до кусков размеров 50—100 мм, а во вращающихся — до 30—40 мм. При производстве ангидритового  цемента из природного ангидрита  последний лишь сушат при 170—180 °С для улучшения размалываемости.

Истинная плотность ангидритового  цемента 2,8— 2,9 г/см3, плотность в  рыхлонасыпном состоянии 850— 1100 кг/м3, а в уплотненном— 1200—1500 кг/м3. Для получения теста нормальной густоты обычно вводят 30— 35 % воды. Начало схватывания этого цемента наступает не ранее 30 мин, а конец — через 8 ч.

Магнезиальные вяжущие   

Магнезиальными вяжущими называются каустический магнезит и  каустический доломит, изготовленные умеренным обжигом природных магнезитов и доломитов. Главная особенность этих вяжущих заключается в том, что они затворяются не водой, а водными растворами некоторых солей.

Сырьём для магнезиальных вяжущих выступают главным образом карбонаты. В природе встречаются карбонаты магния MgCO3, двойные карбонаты кальция и магния CaMg(CO3)2.

Магнезит (MgCO3), как и кальцит, кристаллизуется в виде ромбовидных  кристаллов. Цвет магнезита – белый  с жёлтым или сероватым оттенком. Иногда снежно-белый. Встречается и  «аморфный» магнезит с характерным  фарфоровидным раковистым изломом, кристаллическое строение которого обнаружили лишь рентгенографически. Твёрдость магнезита 4-4,5, плотность – 2,9-3,1 г/см3.

Основным отличием магнезита  от кальцита является то, что он под  действием соляной кислоты не вскипает на холоде, а растворяется лишь при нагревании. Также, в отличие  от кальцита, магнезит значительно  меньше распространён в природе. Залежи кристаллического магнезита  образовались гидротермальным путём  и встречаются в тех районах, где есть месторождения доломита или доломитизированных известняков.

Скрытокристаллические разновидности  магнезита возникли в результате выветривания ультраосновных пород. Магнезиальные  силикаты, содержащиеся в этих породах, под влиянием воды и CO2 полностью  разрушаются,при этом магний выделяется в виде гидрокарбоната, выветривающийся в нижних горизонтах коры и превращающийся в магнезит.

В кристаллическом магнезите  всегда есть примеси доломита. А  в скрытокристаллическом – примеси свободного (опал) или связанного (силикаты магния) кремнезёма, что объясняется происхождением этих минералов. Кроме того, в магнезите обычно имеются примеси сидерита FeCO3, кальцита Al2O3 .

доломитовые породы зачастую сопровождаются залежами гипса и  ангидрита. Также доломит образовывался  и при доломитизации известняков.

Магнезиальное сырье служит для получения металлического магния, а также для нужд химической и  нефтехимической промышленности и  производства высококачественных огнеупоров. В связи с этим выпуск магнезиальных  вяжущих материалов, несмотря на то, что они обладают набором ценных свойств, ограничен.

основы обжига магнезита  и доломита:

Диссоциация MgCO3 начинается уже при 400°С. Однако его быстрое  разложение происходит при температуре  свыше 600°С. При этом выделяется 95-96% СО2. Остаток СО2 выделяется лишь при 900-1000°С.

 В зависимости от  температуры обжига MgO получается в различном состоянии. При 650-800°С – рыхлый порошок плотностью около 2,3 г/см3. С повышением температуры наблюдается рост кристаллов, рекристаллизация и повышение плотности. При 1200°С размер кристаллов MgO составляет 0,05-0,08, а при 1400°С – уже 1-4 мкм. На скорость рекристаллизации существенно влияют примеси.

Также с повышением температуры  резко снижается активность MgO и скорость гидратации. Например, если обожжённый при 800°С MgO гидратируется на 75,4%, то при 1300°С – лишь 14,62%. Высокая активность MgO, обожжённого при низких температурах, объясняется тем, что он обладает значительным количеством атомных дефектов. Для получения активного и способного быстро гидратироваться MgO магнезит обжигают при температуре ~700-750°С. С повышеним температуры обжига его вяжущие свойства резко ухудшаются. Вплоть до того, что при 1400°С получается так называемый намертво обожжённый магнезит, который используется для изготовления огнеупоров в металлургической промышленности. Плотность металлургического магнезита составляет 3,5-3,6 г/см3. Твёрдость = 5,5.

При изучении процессов получения  MgO установлено, что в первоначальный период он сохраняет структуру исходного вещества. Так, при разложении Mg(OH)2 образуется MgO со слоистой структурой брусита, а при разложении MgCO3 своеобразные псевдоморфозы, которые сохраняют внешние очертания магнезита.

Доломит разлагается в  интервале температур 700-900°С.

 Производство магнезиальных вяжущих заключается в предварительном измельчении сырья, обжиге и помоле. Дробление производится до кусков различных размеров, что зависит от конструкции печей: для шахтных печей средний размер кусков обычно составляет 50-60 мм, а при обжиге во вращающихся – 10-15 мм.

Диссоциация магнезита и  доломита является процессом эндотермическим. На разложение 1 кг магнезита расходуется 1440 кДж теплоты, а для полной диссоциации  доломита немного больше. Для обжига магнезита применяют либо шахтные  печи с выносными топками, либо вращающиеся  печи. В шахтных печах поддерживается температура 700-800, а во вращающихся  – 900-1000°С. Более высокая температура  обжига во вращающихся печах объясняется  тем, что длительность пребывания материала  в них значительно меньше. Производительность шахтных печей обычно составляет 20-30 т/сут. при расходе топлива – 10-15% от массы готового продукта. Производительность вращающихся печей – 50-120 т/сут. при расходе топлива в 20-30%. Если обжиг осуществлялся в шахтной печи, то перед помолом производится дробление в шаровых мельницах. Тонкость помола каустического магнезита должна быть такой, чтобы остаток на сите № 02 не превышал 5%, а на сите № 008 – 25%. Для предотвращения гидратации Магнезит упаковывается в металлические барабаны.