1. Классификация вяжущих веществ.

Вяжущие вещества делятся:

Органические: цемент, известь, гипс.

Неорганические (минеральные): битум, полимеры.

Минеральные вяжущие – порошкообразные материалы, которые при взаимодействии с водой образуют массу, постоянно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние.

Минеральные вяжущие делятся в зависимости от их свойства твердеть:

1. Воздушные вяжущие – при смешивании с водой твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде (известь воздушная СаО, Са(ОН)₂, гипс β-СаSO₄·0,5Н₂О, магнезиальные вяжущие при обжиге).

2. Гидравлические вяжущие – после смешивания с водой и твердея на воздухе в последующим способны твердеть как в воздухе, так и в водной среде.

• Гидравлические вяжущие не содержащие или содержащие не более 5-10 % АМД (ПЦ, гидравлическая известь, романцемент).

• Смешанные гидравлические вяжущие, полущенные смешиванием чистых вяжущих друг с другом, а так же отдельных вяжущих с АМД более 10-20 % (ПЦ, ШПЦ, известково-шлаковый ПЦ).

3. Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент – смесь тонкомолотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия (10:1) затворяемого водным раствором силикатного натрия SiO₂+Na₂SiF₆+8H₂O+2NaSiO₃=NaF+4Si(OH)₂ – твердение.

4. Вяжущие автоклавного твердения – наиболее эффективно твердеют при автоклавной гидротермальной обработки при давлении насыщенного пара 0,9-1,3 МПа от 160-200⁰С (, известково-шлаковыя смесь, известково-кварцевыя смесь).

2. История развития производства вяжущих веществ.

Вяжущие вещества являются важнейшим строительным материалом. Первичным вяжущим веществом была необожженная глина, образовывавшая при смешивании с водой пластичное тесто, которое впоследствии затвердевало и превращалось в камневидное тело сравнительно невысокой прочности. Примерно за 4-3 тыс. лет до нашей эры стали появляться более прочные вяжущие вещества, получаемые путем обжига. Первым таким материалом был строительный гипс, который получали обжигом гипсового камня при сравнительно невысокой температуре - 140-190º С. Вслед за гипсом появилась известь, изготовляемая путем обжига известняка при более высокой температуре. Со временем было обнаружено, что когда в качестве сырья применяют загрязненный глиной известняк или обжигают искусственно составленную смесь известняка и глины, то получают более водостойкий продукт, чем из чистых известняков. Так появились гидравлическая известь, романцемент, а впоследствии и портландцемент.

А.Р.Шуляченко – изучал процесс твердения вяжущих веществ.

Н.А.Белелюбский – разработал ряд методов испытаний, вошедших в мировую практику.

Н.М.Лямин – доказал, что при твердении цемента выделяется свободный гидрат окиси Са; исследовал возможность ускорения твердения цемента с помощью ускорителей.

В.А.Инд – разработал метод расчета минералогического состава клинкера; исследовал стойкость цемента против минерализированных вод.

3. Исходные материалы для производства вяжущих.

Исходными материалами для производства вяжущих веществ служат различные горные породы и некоторые побочные продукты ряда отраслей промышленности (металлургической, энергетической, химической и др.). Так, для производства гипсовых вяжущих используются гипсовые породы, состоящие в основном из двуводного гипса CaS0₄-₂H₂О. Для этой же цели применяют и фосфо-гипс, являющийся отходом производства фосфорных удобрений.

Производство магнезиальных вяжущих базируется на использовании природных магнезитов MgC0₃ и доломитов MgC0₃-CaCO;j. Карбонатные горные породы в виде известняков, мела, доломитов, мергелей — основа для получения воздушной и гидравлической извести, а также романцемента.

Сырьем для цемента являются известняки, мел, а также глинистые породы (те и другие с минимальными примесями карбоната магния, гипса и щелочных соединений). Для цементного производства используют кремнеземистые породы— диатомит, трепел, опоку, вулканические туф и трасс. Высокоглииоземистые породы (бокситы) применяют в производстве глиноземистого цемента (вместе с чистыми известняками).

В производстве вяжущих веществ целесообразно широко использовать такие побочные продукты других отраслей промышленности, как металлургические шлаки, шлаки и золы от пылевидного сжигания различных видов твердого топлива, шлаки электротермического способа производства фосфора, белитовый (нефелиновый) шлам и т.п. Все эти продукты по химическому составу зачастую близки к различным вяжущим (в том числе и к портландцементу) и обладают значительным запасом химической и тепловой энергии, полученной во время их тепловой обработки в основном производстве. Это предопределяет высокую технико-экономическую эффективность использования таких «полупродуктов» в промышленности вяжущих веществ.

4. Добавки вводимые в вяжущие вещества.

В вяжущие вещества, растворные и бетонные смеси для регулирования, улучшения или придания специальных свойств вводят различные добавки. Они вляяют на химические и физико-химические процессы твердения вяжущих и бетона. (модификаторы – изменяют микроструктуру затвердевшего камня).

Добавки подразделяются по степени влияния на свойства цемента и по назначению:

АМД – изменяющие наименование цемента и обладающие гидравлическими свойствами (вулканические породы, активные золы и шлаки);

Наполнители – улучшают зерновой состав цементов и структуру затвердевшего камня (малоактивные золы, шлаки, известняк и др.)

Технологические – интенсификаторы помола не менее 10%, уменьшающие продолжительность измельчения цемента.

Регулирующие основные свойства цемента – сроки схватывания, ускоряющие твердене (Na₂SO₄, CaCl₂ и др), повышающие прочность не менее 10%.

Реглирующие специальные свойства – уменьшающие тепловыделение не менее 10%, регулирующие объемные деформации, повышающие каррозиеустойчивость.

Введение каждой добавки должно усложнять технологию, особенно если число добавок более 2-х. в этом случае применяют комплексные добавки. Наиболее целесообразны добавки в виде сухих смесей.

5. Классификация гипсовых вяжущих веществ и сырье для получения ГВВ.

Гипсовые вяжущие вещества – порошковидные материалы, состоящие из полуводного гипса CaS0₄-₂H₂О или ангидрида CaS0₄ и получаемые обычно тепловой обработкой двуводного гипса в пределах 105-200 ⁰С - СаSO₄·2Н₂О→ СаSO₄·0,5+1,5Н₂О→ СаSO₄·2Н₂О.

ГВВ по скорости схватывания и скорости твердения делятся на две основные группы:

1. Низкообжиговые – быстросхватываются и твердеют, состоят из полводной формы, t⁰ обработки 383-353 К. К ним относятся: алебастр, строительный гипс, фамовочный, высокообжиговый, технический, медицинский, гипсосодержащие материалы.

2. Высокообжиговые – получают обжигом при t⁰ 873-1173 К, медленнотвердеющие, медленносхватывающиеся, безводная форма. К ним относят: ангидридные вяжущие, высокообжиговые, отделочный гипсовый цемент.

Сырьё для ГВВ:

1. Основное – природный двуводный гипс осадочного происхождения, гипсовый камень, гипсовый шпат, алебастр.

2. Вспомогательные – отходы производства (технологическое сырье). При производстве фосфорной кислоты в качестве побочного продукта образуется фосфогипс; при производстве плавиковой кислоты (фтороводородная) образется фторогипс.

6. Модификация водного и безводного сульфата кальция

CaSO4·2H2O
Высокообжиговый способ		Низкообжиговый способ
При t=800-10000С частично образуется CaO, SO2, O2, (CaO до 3 %)	Специальный способ с затравками (катализаторы). t=420С+кристаллы затравки ангидрида. Система находится в водной среде и переходит	При t=97-1000С α-полуводный сульфат Са – СаSO4·0,5H2O в среде насыщенной парами воды или в растворах солей (NaCl), т.е. в словиях при которых вода и гипс выделяются в жидком состоянии. Для этой цели t=107-1250С	При t=100-1600С β-полводный сульфат Са – СаSO4·0,5H2O в открытых аппаратах, при удалении из него воды в виде перегретого пара.
		t=200-2100С	t=170-1800С
		Кристаллические решетки α и β одинаковы, но технологические свойства у α выше, чем у β. Бетоны с α более подвижны, при одинаковом водотвердом отношении камень с α прочней и плотнее. Α схватывается медленнее чем β.
		α-модификация CaSO4 обезвоженный полугидрат	β-модификация CaSO4 обезвоженный полугидрат
		t=2200С и более	t=320-3600С
		Эти формы не стойки (метастабильны), на воздухе превращаются в CaSO4·0,5H2O, структура полугидратов сохраняется.
		α-растворимый ангидрид	β-растворимый ангидрид
		t=400-8000С и более	t=400-8000С
		Более водопотребны, чем обезвоженные полугидраты формы быстрее схватываются прочность ниже, чем у полугидратов структура кристаллической решетки перестраивается в неупорядоченную
		Намертво обезвоженный гипс. Нерастворимый ангидрид СаSO4	Нерастворимый ангидрид СаSO4
		Кристаллическая решетка становится ромбической при твердении не схватывается и не твердеет
При t=800-10000С образуется эстрих-гипс – высокообжиговый гипс. Свободная СаО катализирует свойства гипса, схватывания и твердения. Удаление SO2 разрыхляет структуру, поэтому активность эстрих-гипса повышается
t=1180-12050С образуется α-ангидрид
t=14950С происходит полное разложение СаО, SO2, O2.

Таким образом, регулируя температуру обжига можно получить вяжущие с различными свойствами.

7. Строительный гипс. Варочный способ производства.

На заводах обжиг строительного гипса производят главным образом в варочных котлах, а также во вращающихся печах (сушильных барабанах).

Гипсоварочные котлы бывают малой (3 м3) и большой (15 и 25 м3) вместимости. Гипсоварочный котел большой вместимости представляет собой стальной цилиндр со сферическим днищем. Котел имеет жаровые трубы, служащие газоходами для топочных газов. Эти газы обогревают сначала днище котла, которое является одновременно и сводом топки, затем газы обогревают боковые поверхности котла и далее проходят через жаровые трубы и удаляются через дымовую трубу. Котел снабжен перемешивающим устройством, состоящим из вертикального вала с прикрепленными к нему лопастями. Котел закрывается крышкой с патрубком, через который удаляются выделяющиеся при варке гипса пары воды. Сырой гипсовый порошок подается в котел загрузочными шнеками. Готовый продукт выгружается через течку с шибером. При температуре 140-150ºС в варочном котле наблюдается первое "кипение" гипсового порошка, а при температуре 170-190ºС - второе. В зависимости от рода котла, вида поступающего в него гипсового порошка процесс обжига продолжается от 50 мин до 2,5 ч. Производительность обычных варочных котлов вместимостью 3 м3 составляет 1,5-2,5т за один цикл (загрузку), а производительность жаротрубных котлов вместимостью 15 м3-от 10 до 15 т за один цикл. Расход условного топлива составляет 40-45 кг, а электроэнергии 25-30 кВт·ч на 1 т обожженного продукта.

Предварительный до обжига в варочном котле помол необожженного гипсового камня затруднителен из-за природной вязкости гипса, особенно если он содержит влагу. Это обстоятельство вызывает необходимость сушки гипса примерно до 1%-ного содержания влаги. Такая двойная термическая обработка (сушка и варка) усложняет производственный процесс.

В варочных котлах получают строительный гипс высокого качества, так как дегидратации подвергается тонкоизмельченный материал, который в процессе обжига непрерывно перемешивается мешалками и выделяющимися водяными парами, причем дегидратация протекает в слое материала. В результате увеличивается содержание в готовом продукте полугидрата и уменьшается количество примесей других видов сульфата кальция: двугидрата и ангидрита. Это объясняется тем, что в начальный период обжига слой загруженного в котел порошкообразного материала создает сопротивление для выхода водяных паров. В дальнейшем температура материала поднимается, относительная влажность среды в котле уменьшается, выделяющиеся при кипении водяные пары удаляются. Соотношение между этими двумя модификациями полугидрата зависит от высоты слоя материала в котлах, тонкости помола гипса и режима работы топок. При обжиге в варочных котлах гипс не загрязняется топочными газами. Однако варочным котлам присущ и ряд недостатков: они являются периодически работающими аппаратами, что затрудняет автоматизацию процесса термической обработки; по высоте слоя материал недостаточно хорошо перемешивается; существует опасность пережога днищ; затруднен демонтаж при капитальном ремонте. Установки с варочными котлами довольно громоздки.