9. Растворимое стекло и кислотоупорный цемент

Растворимое стекло — силикаты натрия (Na20 * mSi02) или калия (К20 * mSi02), где т — модуль стекла, находящийся в пределах для натриевого стекла 2,0…3,5, а для калиевого 3,5…4,5. Растворимое стекло получают сплавлением смеси кварцевого песка соответственно с содой Na2C03 (или сульфатом натрия Na2S04) и поташем К2С03 в стекловаренных печах при 1300… 1400 °С. Образовавшийся расплав быстро охлаждают. При этом он распадается на полупрозрачные желто-зеленые куски, называемые силикат-глыбой.

В строительстве обычно используют раствор силикат-глыбы в воде — жидкое стекло (в быту такой раствор называют силикатный клей). Растворение производится в автоклаве насыщенным паром. Плотность раствора 1,5…1,3 г/см , что соответствует концентрации раствора 70…50 .

При растворении в воде силикаты натрия и калия частично гидро-лизуются с образованием коллоидного раствора кремневой кислоты Si(OH)4 и соответствующих щелочных гидроксидов. В этих условиях (рН = 12… 13) раствор относительно стабилен. Жидкое стекло имеет повышенную вязкость из-за того, что кремнекислота в нем находится в полимеризованном виде. При обезвоживании (испарении или отсасывании воды) или при нейтрализации щелочей (например, углекислым газом воздуха) раствор теряет стабильность, кремнекислота переходит в гель, уплотняющийся со временем и приобретающий значительную прочность. Так растворимое стекло проявляет вяжущие свойства. В обычных условиях этот процесс может идти очень долго, поэтому используют добавки — ускорители твердения.

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

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

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

Na20 * mSi02 + Na2SiF6 + H20 -> Si(OH)4 + NaF

Образующийся гель кремневой кислоты является вяжущим компонентом, а плохо растворимый фторид натрия и порошок кислотоу-порнМ породы (кварца и т. п.) служат микронаполнителями образующегося цементного камня. Ориентировочное количество Na2SiF6 от массы растворимого стекла (т. е. сухого вещества в составе жидкого стекла) в кислотоупорных растворах и бетонах должно быть в пределах 10… 15.

Сроки схватывания кислотоупорного цемента: начало — не ранее 20 мин, конец — не позднее 8 ч. У этого цемента нормируется предел прочности при растяжении после 28 сут твердения — не менее 2,0 МПа. Прочность при сжатии бетонов на кислотоупорном цементе составляет 20…60 МПа.

Основным достоинством и отличием кислотоупорного цемента от других неорганических вяжущих является способность сохранять прочность в условиях действия большинства кислот (за исключением плавиковой и фосфорной).

Более того, для уплотнения и упрочнения бетонов или растворов на кислотоупорном цементе их обрабатывают соляной или серной кислотами (кислуют). При этом нейтрализуются остатки щелочных гидроксидов и уплотняется гель кремнекис-лоты.

Кислотостойкость — сохранение массы затвердевшего кислотоупорного цемента при испытании в кислоте — не менее 93%.

При длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность.

10. Портландцемент – производство, свойства, применение. Цемент – порошкообразный строительный материал, который состоит из клинкера и при необходимости гипса и добавок. ПЦ – цемент, получаемый на основе портландцементного клинкера. ПЦ клинкер – продукт, получаемый обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси, состоящий преимущественно из высокоосновных силикатов кальция, а также алюминатов и алюмоферритов кальция. Получение клинкера и ПЦ: 1) Приготовление сырья. ~ 75% карбонатное сырьё (CaCO3), мел, известняк, ракушечник → CaO 25% глины, сланцы, суглинки → Al2O3; SiO2; Fe2O3 Несколько способов изготовления: a) Мокрый способ: Сырьевую смесь измельчают в шаровых мельницах в присутствии большого количества воды и получают жидкотекучую массу, называемую шламом. б) Сухой способ: СЖД-804 (ЗИМА) Готовят сухую смесь исходного материала. в) Комбинированный способ: Шлам обезвоживают до влажности 16-18% и перерабатывают в специальных грануляторах. 2) Обжиг шихты. Производится во вращающейся печи. Основные процессы: I зона – зона сушки (до 200°C), удаление свободной воды. II зона – зона подогрева (до 700°C). Разложение глинистого компонента AlO3; SiO2; FeO III – зона декарбонизации (700-1000°C). CaCO3 → CaO + CO2 IV – зона экзотермических реакций. 2CaO + SiO2 → 2CaOSiO2 (C2S – белит) 3CaO + Al2O3 → 3CaOAl2O3 (C3A - алюминат) 4CaO + Al2O3 + Fe2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3 (C4AF) V – зона спекания (1450-1500°C). 3CaO + SiO2 → 3CaOSiO2 (C3S – алит) 3) Резкое охлаждение клинкера до 200-100°C (охлаждение водой). 4) Измельчение клинкера с добавлением гипса и активных минеральных добавок. ПЦ = (клинкер + 7% гипс + 0…20% активные минеральные добавки) совместное измельчение. Гипс добавляют для замедления сроков схватывания. Свойства пц, по которым определяется его марка: 1) Тонкость помола. Через сито 008 должно проходить не менее 85% пробы. Пробу высушивают и охлаждают в эксикаторе. Операцию просеивания считают законченной, если при контрольном просеивании сквозь сито проходит не более 0,05 г цемента ГОСТ 310.2 и 0.01 по ГОСТ 30744. Контрольное просеивание выполняют в ручную при снятом донышке на бумаге в течение 1 минуты. Тонкость помола цемента определяется как остаток на сите с сеткой №008 в % к первоначальной массе просеиваемой пробы с точностью до 0,1%. 2) Нормальная густота цементного теста. Определяется на Вика. Нормальной густотой цементного теста называется такая его консистенция, при которой пестик прибора Вика не доходит до дна на 5-7 мм. Количество воды, необходимое для получения цементного теста нормальной густоты, называется водопотребностью (22-28%), чем меньше, тем лучше. СЖД-804 (ЗИМА) 400 г цемента помещают в чашку и делают в цементе углубление, куда в один приём вливают воду. После этого углубление немедленно заполняют цементом и спустя 30 с осторожно перемешивают. Затем тесто энергично растирают во взаимно перпендикулярных направлениях (5 минут с момента вливания воды). Приготовленным тестом заполняют кольцо, 5-6 раз встряхивают его. Избыток теста срезают ножом. Приводят пестик в соприкосновение с поверхностью теста. Освобождают стержень и пестик свободно погружается в тесто. Через 30 с отсчитывают погружение по шкале. Если консистенция теста не соответствует требованию, то вновь затворяют тесто, увеличивая или уменьшая количество воды. 3) Равномерность изменения объёма. Определяется трёхчасовым кипячением лепёшек суточного возраста, изготовленных из цементного теста нормальной густоты. Цемент доброкачественный, если нет радиальных трещин, доходящих до краёв, искривлений. Отдельные трещины могут наблюдаться. Две навески теста по 75 г, приготовленные в виде шариков, помещают на стеклянные пластинки. Встряхивают пластинки до превращения шариков в лепёшки диаметром 7-8 см и толщиной в середине около 1 см. Лепёшки заглаживают ножом от наружных краёв к центру до образования острых краёв и гладкой закруглённой поверхности. Лепёшки помещают в бачок с водой на решётку. Воду доводят до кипения. После 3 часов лепёшки охлаждают и производят внешний осмотр. 4) Сроки схватывания. Выполняется как при гипсе. Начало схватывания не ранее 45 минут, конец – не позднее 10 часов. 5) Консистенция цементного раствора. Водно-цементное отношение (mводы/mцем), определяется по специальной методике (от 22% до 32%), чем меньше, тем лучше. Отвешивают 1500 г монофракционного песка и 500 г цемента, высыпают их в сферическую чашу, перемешивают в течение 1 минуты. В центре сухой смеси делают лунку и вливают в неё воду (в количестве 200 г (В/Ц = 0,4)), дают воде впитаться в течение 0,5 мин; перемешивают смесь 1 минуту. Затем раствор переносят в мешалку и перемешивают в ней в течение 2,5 минут (20 оборотов). Заполняют раствором формуконус на половину высоты, уплотняют 15 штыкованиями металлической штыковки. Заполняют конус раствором с небольшим избытком и штыкуют 10 раз. Срезают излишки, встряхивают раствор 30 раз за 30±5 с, после чего измеряют диаметр конуса по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях и берут среднее значение. СЖД-804 (ЗИМА) Расплыв конуса должен быть в пределах 106-115 мм. Если меньше 106 – увеличивают количество воды до расплыва конуса 106-108 мм. Если расплыв больше 115 – уменьшают количество воды до получения расплыва конуса 113-115 мм. 6) Активность и марка пц. Марка цемента – гарантированный предел прочности при сжатии половинок стандартных образцов 4×4×16 см в возрасте 28 суток после хранения в воде при t +20°C. Активность – прочность при сжатии или изгибе стандартных образцов в любом возрасте. Марка – круглая цифра, активность – не круглое значение. Применение: Изготовление монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепление отдельных элементов сооружений, жароизоляции и др.

13. При затворении портландцемента водой сначала образуется пластичное клейкое цементное тесто, которое затем постепенно загустевает, переходя в камневидное состояние. Твердение и есть процесс превращения цементного теста в цементный камень.

Основы теории твердения портландцемента разработаны А. А. Байковым и дополнены В. А. Киндом, В. Н. Юнгом, Ю. М. Буттом, П. А. Ребиндером, Н. А. Тороповым, А. Е. Шейкиным, А. В. Волженским и др. Согласно этой теории при твердении портландцемента различают три периода: растворение, коллоидация и кристаллизация.

При смешивании портландцемента с водой в начальный период происходит растворение клинкерных минералов с поверхности цементных зерен, взаимодействие минералов с водой и образование насыщенного по отношению к клинкерным минералам раствора. По достижении насыщения растворение клинкерных минералов прекращается, но реакции между ними и водой продолжаются. Реакции присоединения воды к клинкерным минералам называют реакциями гидратации, а реакции разложения клинкерных минералов под действием воды на другие соединения—реакциями гидролиза.

Во втором периоде в насыщенном растворе идут реакции гидратации клинкерных минералов в твердом состоянии, т. е. происходит прямое присоединение воды к твердой фазе вяжущего без предварительного его растворения. Продуктами этих реакций являются гидратные новообразования в коллоидном виде. Период коллоидации сопровождается повышением вязкости цементного теста, обусловливающим схватывание цемента.

В третьем периоде протекают процессы перекристаллизации мельчайших коллоидных частиц новообразований, т. е. растворение мельчайших частиц и образований крупных кристаллов. Кристаллизация сопровождается твердением цементного теста и ростом прочности образовавшегося цементного камня.

15. Активными минеральными добавками называются вещества, которые при смешивании с воздушной известью переводят её в гидравлическое вяжущее вещество. Ca(OH)2 + SiO2 + nH2O → CaOSiO2mH2O Активные минеральные добавки могут быть естественными (природными) и искусственными. Естественные: горные породы (диатомиты, трепелы, опоки, пуццоланы, туфлы, пеплы), породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемза). Искусственные: отходы промышленности и строительства, топливные (доменные) шлаки, топливные золы (золы уноса), бой кирпича, пуццолановый пц. ПЦ приобретает дополнительное название в зависимости от вида добавки, при введении природных добавок - ППЦ, а при использовании доменных гранулированных шлаков – ШПЦ.

ПЦД состоит из клинкера, минеральных добавок и гипса, которые перемешивают вместе, предварительно измельчив. При этом количество минеральных добавок в составе ПЦД не должно превышать 20%, для того чтобы сохранить все основные свойства портландцемента.

При добавлении минеральных веществ в состав портландцемента, его свойства хоть и сохраняются, но претерпевают некоторые изменения:

• морозостойкость – немного снижается;

• водостойкость – улучшается;

• сопротивляемость коррозии – улучшается;

• тепловыделение – становится ниже.

Благодаря тому, что до 20% состава ПЦД занимают минеральные добавки, экономиться портландцементный клинкер, что и способствует снижению себестоимости конечного продукта. В итоге мы получаем экономически выгодный цемент с улучшенными качествами и сниженной себестоимостью.

ПЦД выпускают всего несколько марок, это: М400, М500, М550 и М600. На отдельных заводах выпускают ПЦД М300, но только согласно специальному разрешению на это.

Если при строительстве объекта не требуется высокая морозостойкость, то вместо обычного портландцемента, чаще всего применяют именно ПЦД, поэтому он и получил такое широкое распространение.