1 Теоретическая часть

Строительной воздушной известью называют вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) карбонатных горных пород (известняков, мела, доломитов, и т.п.), состоящих преимущественно из углекислого кальция СаСО₃ и небольшого количества углекислого магния MgCO₃, а так же примесей кварца и глины, которые ухудшают качества строительной извести.

Воздушную строительную известь получают в результате обжига горных пород, содержащих кальцит, причем содержание глинистых примесей по массе не должно превышать 6 - 8 %. Схема производства воздушной извести представлена на рисунке 1.

Для производства воздушной извести применяют следующие виды известково-магнезиальных карбонатных пород: зернисто-кристаллический мраморовидный известняк, плотный кристаллический известняк, землисто-рыхлый известняк (или мел), известковый туф, известняк-ракушечник, оолитовый известняк, доломитизированный известняк, доломит.

Рисунок 1 - Схема получения, гашения и твердения воздушной извести

Таблица 1 - Примерная классификация сырья для производства известковых вяжущих веществ

Сырье	Содержание, %				Получаемая известь
	СаСО3	MgCO3	Глинистые примеси
Чистый известняк	95 –100	0 – 3	0 – 2,5	Маломагнезиальная жирная
Обычный известняк	87 – 95	0 – 3	3 – 8	Маломагнезиальнаятощая
Мергелистый известняк	75 – 90	0 – 5	8 – 25	Гидравлическая
Доломитизирован-ный известняк	75 – 90	5 – 20	0 – 8	Магнезиальная
Доломит	55 – 75	25 – 45	0 – 8	Доломитовая
Доломитизированный мергелистый известняк	50 – 70	5 – 25	8 – 30	Магнезиальная гидравлическая

В состав известняков входят углекислый кальций СаСОз и небольшое количество различных примесей (глина, кварцевый песок, доломит, пирит, гипс и др.). В таблице 1 приведен теоретический состав магнезиальных карбонатных пород, а так же получаемая на их основе известь.

Размеры кусков сырьевой поставляемой с карьера породы достигают 50 - 60 см и более. Требуемая величина кусков породы, поступающих на обжиг, определяется типом обжигового агрегата. Загружаемый в шахтную печь известняк имеет обычно размеры 60 - 200 мм. При обжиге во вращающихся печах применяют фракции 5 - 20 мм или 20 - 40 мм. Поэтому поступающую с карьера породу необходимо дробить. Дробленый материал подвергается рассеву на грохотах, что обеспечивает постоянство фракционного состава.

Существующий технологический процесс обжига известняка предусматривает применение высококачественного исходного сырья. Возможность использования мела в качестве сырья для производства извести является одной из наиболее перспективных технологий её дальнейшего использования в производстве силикатного кирпича и других строительных материалов. При производстве воздушной извести известняк и мел декарбонизируются и превращаются в известь по реакции при 900 - 1200^oС

СаСО₃  CaO + СО₂ (1)

Наличие глинистых примесей облегчает удаление СО и снижает температуру обжига. Однако чем больше в извести примесей, тем при более низкой температуре наступает ухудшение ее свойств.

Продолжительность обжига определяется также размером кусков обжигаемого продукта. Скорость перемещения зоны диссоциации СаСО₃ по куску зависит от температуры обжига: при 900^oС она составляет примерно 2 мм/ч, а при 1100^oС - 14 мм/ч, то есть обжиг идет в 7 раз быстрее.

1 – шахта печи; 2 – загрузочный механизм; 3 – зона подогрева; 4 – зона обжига;

5 – зона охлаждения; 6 – гребень; 7 – разгрузочный механизм.

Рисунок 2 - Шахтная печь

Обжиг ведут в шахтных или вращающихся печах. Наибольшее распространение для производства извести получили шахтные печи (рис. 2), высота которых достигает 20 м. В зоне подогрева из известняка и топлива (в случае использования твердого топлива — кокса или антрацита) удаляется влага. Известняк нагревается до температуры начала диссоциации, а топливо - до температуры воспламенения. В зоне обжига за счет сгорания топлива или поступления продуктов его сгорания из топок (в случае работы печи на жидком или газообразном топливе) достигается максимальная температура материала и активно происходит диссоциация СаСО₃ и MgСО₃.

В третьей зоне материал охлаждается поступающим в печь снизу воздухом. Вращающиеся печи позволяют получать мягкообожженную известь высокого качества из мелкокускового известняка и из мягких карбонатных пород – мела, туфа, известняка - ракушечника, которые нельзя обжигать в шахтных печах из-за склонности этих материалов к «зависанию» в шахте, приводящему к нарушению технологии обжига.

В этих печах возможно достичь наиболее высокой степени обжига (до 98 - 99,5 %), получить известь с временем гашения при 90^oС до 12 - 15 минут и более. Повышенный расход топлива за счет более высоких теплопотерь корпуса в окружающую среду и дополнительный расход энергии является недостатком вращающихся печей. Кроме того, такие печи неудовлетворительно работают на мелах с карьерной влажностью 25-30 % из-за повышенной адгезионной способности мела при таких значениях влажности. Поэтому, мел либо подсушивают, либо «распускают» до большей, чем карьерная, влажности и, несмотря на увеличение расхода топлива, работают по технологии мокрого способа. Длина известьобжигательных вращающихся печей составляет 30 - 100 м при диаметре 1,8 - 3 м, производительность достигает 400 - 500 тонн в сутки, что в 2 - 4 раза выше, чем у шахтных печей. Одно из важнейших технологических преимуществ - малое время прохождения материала от места загрузки до выхода из печи. Во вращающихся печах может быть получена известь высокого качества обжигом при средних и достаточно высоких температурах. Из-за малого времени пребывания материала в печи опасность пережога в них минимальна. При этом известь значительно более однородна по составу и содержит меньше примесей.

Известь воздушная отличается от других вяжущих веществ тем, что может превращаться в порошок не только при помоле, но и путем гашения - действием воды на куски комовой извести.

Теоретически для гашения извести в пушонку, необходимо 32,13 % воды от веса СаО. Практически в зависимости от состава извести, степени ее обжига и способа гашения количество воды берут в два, а иногда и в три раза больше, так как в результате выделения тепла при гашении происходит парообразование и часть воды удаляется с паром. На скорость гашения извести оказывают влияние температура и размеры кусков комовой извести: с повышением температуры ускоряется процесс гашения; особенно быстро он протекает при гашении паром при повышенном давлении в закрытых барабанах.

По окончании гашения жидкое известковое тесто через сетку сливают в известехранилище, где его выдерживают до тех пор, пока полностью не завершится процесс гашения. Известковое тесто с размером непогасившихся зерен менее 0,6 мм можно применять сразу. Крупные непогасившиеся зерна опасны тем, что среди них могут быть пережженные. Содержание воды в известковом тесте не нормируется. Обычно в хорошо выдержанном тесте соотношение воды и извести около 1:1.

Процесс твердения очень длительный, и полной карбонизации извести практически не происходит, хотя поверхностная карбонизация протекает достаточно быстро.

Согласно теории твердения известковых растворов, изложенной Ю. М. Буттом, два одновременно протекающих процесса обуславливают твердение: испарение механически перемешанной воды и постепенная кристаллизация гидрата извести из насыщенного раствора. Карбонизация извести идет так же под действием углекислого газа, который в небольшом количестве содержится в воздухе

Са(ОН)₂ + СО₂ + nН₂O  СаСО₃ + (n+1)Н₂O (2)

Процесс карбонизации имеет при твердении извести второстепенное значение. Гораздо важнее испарение воды, сопровождающееся кристаллизацией гидроксида кальция.

Высыхание вызывает уплотнение студнеобразной массы с нарастанием прочности твердеющих известковых растворов. Образующиеся кристаллы срастаются друг с другом, с зернами песка и с кристаллами углекислой извести. Молотую негашеную известь получают путем тонкого размола комовой извести без предварительного гашения.

Гидратационное твердение негашеной молотой извести приводит к быстрому обезвоживанию раствора и его более высокой прочности. При правильно подобранном водоизвестковом отношении, кристаллы гидроксида кальция, получившиеся при гидратации окиси кальция непосредственно в материале (CaO ^. H₂O), срастаются между собой и быстро образуют прочный кристаллический сросток.

Отрицательно влияет на гидратное твердение негашеной извести пережог. Замедленная гидратация крупных крис­таллов окиси кальция (крупнее 10 - 20 мкм) в уже затвер­девшем известковом камне вызывает дополнительные некомпенсируемые напряжения. Поэтому количество пережога в молотой негашеной извести не должно превышать 3 - 5 %.

В зависимости обработки обожженного продукта различают следующие виды извести:

- негашеная комовая известь-кипелка, состоящая в основном из CaO;

- негашеная молотая известь такого же состава;

- гидратная известь-пушонка в виде тонкого порошка, получаемого в результате гашения комовой извести водой и состоящей преимущественно из Ca(OH)₂;

- известковое тесто - продукт пластичной консистенции, получаемый при гашении комовой извести избыточным количеством воды, состоящей главным образом из Ca(OH)₂.

Строительную воздушную негашеную известь делят на три сорта: 1, 2 и 3-й по ГОСТ 9179.

Минеральные добавки вводятся в порошкообразную строительную известь в количествах, допускаемых требованиями к содержанию в ней активных

СаО + MgО.

Наиболее важными показателями качества извести является: активность – процентное содержание оксидов, способных гаситься, количество непогасившихся зерен (недожог и пережог) и время гашения.

В зависимости от содержания в ней окислов кальция и магния подразделяют на кальциевую (MgO = 5 %), магнезиальную (MgO = 5-20 %) и доломитовую (MgO = 20-40 %).

По фракционному составу известь подразделяют на комовую в том числе дробленую и порошкообразную. Порошкообразную известь, получаемую путем размола или гашения (гидратации) комовой извести, подразделяют на известь без добавок и с добавками.

Строительную негашеную известь по времени гашения подразделяют на быстрогасящуюся - не более 8 мин, среднегасящуюся - не более 25 мин, медленногасящуюся - более 25 мин.

2 Методика выполнения эксперимента

2.1 Подготовка проб извести

Из пробы комовой извести, отобранной в соответствии с ГОСТ 9179 и измельченной до размеров кусков не более 10 мм, квартованием отбирают 1 кг для определения содержания не погасившихся зерен и пробу массой около 500 г. Эту пробу измельчают до полного прохождения через сетку N 09 по ГОСТ 6613, тщательно перемешивают, затем квартованием отбирают около 150 г, растирают до полного прохождения через сетку N 008 по ГОСТ 6613, помещают в герметически закрытый сосуд и используют для проведения испытаний, предусмотренных стандартом.

Для проведения химического анализа пробы порошкообразной извести, отобранной по ГОСТ 9179, последовательным квартованием отбирают пробу массой 40 г, растирают в ступке до полного прохождения через сетку N 008 по ГОСТ 6613 и помещают в герметически закрытый сосуд.

Степень дисперсности, влажность, температура и время гашения, прочность и равномерность изменения объема извести определяют непосредственно из пробы, отобранной по ГОСТ 9179.

2.2 Определение суммарного соединения активных оксидов Са и Mg

Навеску  массой 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 250 мл, наливают 150 мл дистиллированной воды, добавляют  3 - 5 стеклянных бус или оплавленных стеклянных палочек длиной 5 - 7 мм, закрывают стеклянной воронкой или часовым стеклом и нагревают 5 - 7 мин до температуры кипения. Раствор охлаждают до температуры 20 - 30°С, промывают стенки колбы и стеклянную воронку (или часовое стекло) кипяченой дистиллированной водой, добавляют 2 - 3 капли однопроцентного спиртового раствора фенолфталеина и титруют при постоянном взбалтывании

1 н раствором соляной кислоты до полного  обесцвечивания раствора. Титрование считают законченным, если в течение  8 мин при периодическом  взбалтывании раствор остается бесцветным.   Титрование  следует производить медленно, добавляя кислоту по каплям.

Содержание  активных окисей кальция и магния А для негашеной извести вычисляют по формуле

А = , [%] (3)

где V - объем раствора 1 н соляной кислоты, пошедший на титрование, мл;

T_CaO - титр 1 н раствора соляной кислоты, выраженный в г СаО;

m - масса навески извести, г.

Содержание  активных окисей кальция и магния А в для гидратной извести вычисляют по формуле

А = , [%] (4)

где W - влажность гидратной извести, %.

2.3 Определение содержания непогасившихся зерен

В металлический сосуд цилиндрической формы вместимостью 8 - 10 литров наливают 3,5 - 4 литра нагретой до температуры 85 - 90°С воды и всыпают 1 кг извести, непрерывно перемешивая содержимое до окончания интенсивного выделения пара (кипения). Полученное тесто закрывают крышкой и выдерживают два часа, затем разбавляют холодной водой до консистенции известкового молока и промывают на сите с сеткой N 063 слабой непрерывной струей, слегка растирая мягкие кусочки стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Остаток на сите высушивают при температуре 140 - 150°С до постоянной массы. Содержание непогасившихся зерен (Н.З.) вычисляют по формуле

Н.З. = m· 100/ 1000, [%] (5)

где m - остаток на сите после высушивания, г.

2.4 Определение скорости гашения извести

Скорость гашения извести является важной характеристикой её качества.

Массу навески извести m в граммах рассчитывают по формуле

m = 1000/A, [г] (6)

 где А - содержание активных окисей кальция и магния в извести, %.

Для проведения испытания массу навески m помещают в термосную колбу, вливают 25 мл воды, имеющей температуру 20°С, и быстро перемешивают деревянной отполированной палочкой. Колбу закрывают пробкой с плотно вставленным термометром на 100°С и оставляют в покое. Ртутный шарик термометра должен быть полностью погружен в реагирующую смесь.

Отсчет температуры реагирующей смеси ведут через каждую минуту, начиная с момента добавления воды. Определение считают законченным, если в течение 4 мин температура не повышается более чем на 1°С. За время гашения принимают время с момента добавления воды до начала периода, когда рост температуры не превышает 0,25°С в минуту.

3 Результаты эксперимента

Таблица 2 – Определение суммарного содержания активных СаО + MgO

Наименование материала	К	m, г	ТСаО, г	VHCl, мл	А, %	Сорт
Известь негашёная	1	1	2,804	34	95,34	1

А = · К, [%] (7)

Таблица 3 – Определение содержания непогасившихся зёрен

Наименование материала	m1, г	m2, г	НЗ, %	Сорт
Известь негашёная	1000	60	6,0	1

НЗ = · 100 % , [%] (8)

Таблица 4 – Определение скорости гашения извести

Наименование материала	m, г	Время гашения, мин	Температура гашения, °С	Вид извести
Известь негашёная	10	1,5	100	быстрогасящаяся

Таблица 5 – Скорость гашение извести

Ʈ, с	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360
t,°С	21	28	31	33	36	40	45	52	60	70	80	88	91

t,°С

Ʈ, с

График 1 – Скорость гашения извести

Вывод: в ходе лабораторной работы исследовали процесс получения воздушной извести, изучили сырьё для её производства. Также освоили методики стандартных испытаний для определения физико-механических свойств строительной воздушной извести.

Определение суммарного соединения активных оксидов Са и Mg производили путём произведения объёма раствора соляной кислоты, пошедшей на титрование, на титр раствора соляной кислоты и деления на массу навески извести.

Определение содержания непогасившихся зёрен произвоили путём произведения остатка на сите после высушивания на 100 и деления на 1000.

Лабораторная работа № 7

«Изучение свойств строительного гипса»

Цель работы: исследование процесса получения строительного гипса, изучение сырья для его производства. Необходимо изучить способы производства, технологические процессы, освоить методики стандартных испытаний для определения физико-механических свойств строительного гипса. Определить на практике сроки схватывания и марку гипса. Для получения наиболее полной информации, надо охарактеризовать свойства строительного гипса, изучить требования к этому материалу.