книги / Строительные материалы

молом. Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит горная порода — гипс, который состоит пре­ имущественно из минерала гипса CaSC>4-2H20 . Исполь­ зуют и ангидрит CaSO.*, отходы промышленности-ч(фос- фогипс — от переработки природных фосфатов в су­ перфосфат, борогипс и др.).

В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие вещества подразделяют на две груп­ пы: низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают, тепло­ вой обработкой природного гипса при низких температу­ рах (110—160°С). Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидратация сырья при указанных температурах приводит к превращению двуводного гип­ са в полугидрит CaSO4-0,5H2O:

CaS04-2H20 = CaSO4-0,5H 2O + 1,5Н20 .

Реакция дегидратации протекает с поглощением теп­ лоты, для получения 1 кг полуводного гипса из двугидрата теоретически надо затратить 580 кДж.

К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам от­ носятся: строительный, формовочный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом гипсовой породы (гипсового камня) в варочных котлах или печах. В первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом в виде порошка нагрева­ ют в варочных котлах. Имеются промышленные установ­ ки, в которых совмещены помол и обжиг. При обжиге в открытых аппаратах, сообщающихся с атмосферой, вода из сырья удаляется в виде пара, и гипсовое вяжущее состоит в основном из мелких кристаллов р-модифика- ции CaSO4-0,5H2O; содержит также некоторое количест­ во ангидрита CaS04 и частицы неразложившегося сырья.

Формовочный гипс состоит также в основном из р- модификации полугидрата CaSO4*0,5H2O. Он содержит незначительное количество примесей и тонко размалыва­ ется. Применяют его в керамической и фарфоро-фаянсо­ вой промышленности для изготовления форм.

Высокопрочный гипс получают термической обработ­ кой высокосортного гипсового камня в герметичных ап­ паратах в среде насыщенного пара при давлении выше атмосферного либо кипячением его в водных растворах некоторых солей с последующей сушкой и размолом в

тонкий порошок. Он состоит в основном из а-модифика- ции полуводного сульфата кальция в виде крупных и плотных кристаллов, характеризующихся пониженной водопотребностью по сравнению с p-полугидратом. Это обусловливает более плотную структуру отвердевшего a CaS04*0,5^0 и прочность на сжатие 15—25 МПа, ко­ торая может достигать при специальной технологии 60— 70 МПа.

Высокообжогэвые гипсовые вяжущие вещества изго­ товляют путем обжига гипсового камня при высокой тем­ пературе (600—900 °С), поэтому они состоят преимущест­ венно из ангидрита CaSO*, который частично подверга­ ется термической диссоциации с образованием СаО. Не­ большое количество оксида кальция в составе вяжущего играет роль активизатора процесса химического взаимо­ действия ангидритового вяжущего с водой. Можно полу­ чить ангидритовое вяжущее и без обжига (по способу П. П. Будникова)— помолом природного ангидрита с активизаторами твердения (известью, обожженным доло­ митом и т. п.).

Высокообжиговый гипс (в отличие от строительного гипса) медленно схватывается и твердеет, но его водо­ стойкость и прочность на сжатие выше (10—20 МПа), поэтому его применяют при устройстве бесшовных полов, в растворах, для штукатурки и кладки, для изготовления «искусственного мрамора».

2. Твердение, свойства и применение I ипсовых вяжущих веществ

При твердении строительного гипса происходит хими­ ческая реакция присоединения воды и образования дву­ водного сульфата кальция

CaS04 • 0 ,5Н20 + 1, 5Н20 = CaS04 • 2Н20 .

При гидратации 1 кг p-полугидрата выделяется теп­ лота, равная 133 кДж. Теоретически для гидратации по­ луводного гипса с образованием двузодного гипса требу­ ется 18,6 % воды от массы гипсового вяжущего вещества. Практически для получения удобоформуемой пла­ стичной смеси строительный гипс требует 50—70 % воды, а высокопрочный —30—40 % воды. Вследствие значи­ тельного количества химически несвязанной воды за­ твердевший гипс имеет большую пористость — 40—60%

и более. Пористость меньше при использовании высоко­ прочного гипса.

Поскольку растворимость полугидрата в воде 8 г/л (в расчете на CaS04), а двугидрата 2 г/л, то вскоре пос­ ле затворения строительного гипса водой создаются усло­ вия для образования в пересыщенном растворе зароды­ шей кристаллов двугидрата. Схватывание (загустевание) гипсового теста начинается с образования рыхлой прост­ ранственной коагуляционной структуры, в которой криссталлики двугидрата связанычслабыми ван-дер-ваальсо- выми силами молекулярного сцепления. После схватыва­ ния происходит твердение, обусловленное ростом кри­ сталлов новой фазы, их срастанием и образованием кри­ сталлизационной структуры. Свежеизготовлеиные гипсо­ вые изделия сушат (при 60—70 °С), что повышает проч­ ность контактов срастания кристаллов и самих изделий вследствие удаления пленочной воды. Можно обойтись и без сушки, если уменьшить количество воды затвореиия за счет введения в гипсовые растворы и бетоны пла­ стифицирующих добавок и применения интенсивного уп­ лотнения.

Основные свойства гипсовых вяжущих: тонкость по­ мола, водопотребность, сроки схватывания, прочность на растяжение при изгибе и при сжатии (марка).

Тонкость помола характеризуется массой гипсового вяжущего (% пробы, взятой для просеивания, но не ме­ нее 50 г), оставшегося при просеивании на сите с ячей­ ками размером в свету 0,2 мм. Установлены три степени помола, обозначаемые соответственно I, II, III: I (грубый помол) — остаток на сите не более 30 %; II ^(средний по­

количеством воды, % массы вяжущего, необходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции (диаметр расплыва 180±5 мм).

В зависимости от сроков схватывания гипсового тес­ та стандартной консистенции Выпускают следующие ви­ ды гипсовых вяжущих: быстротвердеющие (обозначают А) с началом схватывания не ранее чем через 2 мин и концом — не позднее чем через 15 мин; нормальнотвердеющие (обозначают Б) с началом схватывания не ранее чем через 6 мин и концом — не позднее чем через 30 мин; медленнотвердеющие (обозначают В) с началом схваты­

вания не ранее чем через 30 мин (конец схватывания не нормируется).

Прочностные характеристики гипсового вяжущего оп­ ределяют, подвергая испытанию образцы-балочки разме­ ром 40X40X160 мм из гипсового теста стандартной кон­ систенции через 2 ч после изготовления. Для гипсовых вяжущих установлены следующие марки в зависимости от предела прочности при сжатии (Rcж) с учетом прочно­ сти на изгиб ( / ? „ з ) :

Маркировка гипсового вяжущего дает информацию о его основных свойствах. Например, Г-5-А-И обозначает: гипсовое вяжущее марки 5 быстротвердеющее, среднего помола.

Гипсовые вяжущие в воде снижают свою прочность вследствие растворения CaS04-2H20 и разрушения кри­ сталлического сростка. Для повышения водостойкости гипсовых изделий при изготовлении вводят гидрофобные добавки, молотый, доменный гранулированный шлак, а также пропитывают водоотталкивающими составами.

Гипсовые вяжущие марок от Г-2 до Г-7 применяют для изготовления гипсовых деталей и гипсобетонных из­ делий —• перегородочных панелей, сухой штукатурки и т. п., а также для приготовления штукатурных раство­ ров (внутренней штукатурки) и получения гипсоцемент- но-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ). Нередко при при­ менении быстросхватывающегося гипса требуется замед­ лить схватывание. С этой целью в воду затворения до­ бавляют животный клей или СДБ, которые адсорбируют­ ся на частицах гипса и образуют адсорбционную пленку, затрудняющую растворение полугидрата и начало его схватывания. В процессе твердения гипсовый раствор не-

много увеличивается в объеме, что благоприятствует из­ готовлению архитектурных деталей способом литья.

Для тонкостенных изделий (вентиляционные короба и др.), штукатурных работ, заделки швов применяют гип­ совые вяжущие марок Г-3—Г-25.

Кроме гипсовых вяжущих общестроительного назна­ чения, выпускают гипсовые вяжущие марок Г-6-=—Г-25 тонкого помола с нормальными сроками схватывания для изготовления форм и моделей фарфорово-фаянсовых и керамических изделий. К ним предъявляются дополни­ тельные требования: объемное расширение не более 0,15%, содержание нерастворимых в НС1 примесей — не более 1 %, водопоглощение затвердевшего вяжущего — не менее 30 %.

3. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие

Такие вяжущие (предложены А. В. Волженским) по­ лучают, смешивая (% по массе) полуводный гипс (50— 75), портландцемент (15—25) и активную минеральную добавку (10—25)— трепел, диатомит и т. п. Эти вяжу­ щие относят к числу гидравлических и применяют в за­ водском производстве санитарно-технических кабин, сте­ новых панелей и других изделий.

Активная минеральная добавка необходима для обес­ печения стабильности затвердевшего вяжущего. Порт­ ландцемент не рекомендуется смешивать с гипсом, так как получается неустойчивый материал, деформирую­ щийся и разрушающийся вследствие образования высо­ косульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, кристаллизующегося с 31—32 молекулами воды и значи­ тельным увеличением объема. Когда же свободной извес­ ти в жидкой фазе немного (СаО связывается добавкой в гидросиликаты кальция), то получается низкоосновный гидросульфоалюминат кальция без заметного увеличе­ ния объема. Добавка как бы ослабляет внутренние на­ пряжения в цементном камне ГЦПВ и обеспечивает ус­ тойчивость его во времени.

4. Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит и каустический доломит) — тонкие порошки, главной составной частью которых является оксид маг­

ния. Магнезиальное вяжущее получают умеренным об-

жигом (при 750—850°С) магнезита (реже доломита):

M gco3 = Mgo + с о 2 .

Магнезиальное вяжущее чаще всего затворяют водным раствором хлорида магния (или других магнезиальных солей). Это ускоряет твердение и значительно повышает прочность, так как наряду с гидратацией оксида магния происходит образование гидрохлорида магния 3MgO* •MgCl2«6H20. При затвррении водой оксид магния гид­ ратируется очень медленно.

Магнезиальное вяжущее относят к воздушным вяжу­ щим веществам. Оно отличается высокой прочностью, достигающей при сжатии 60—100 МПа, хорошо сцепля­ ется с деревом, поэтому его можно применять для из­ готовления фибролита и магнезиально-опилочных (кси­ лолитовых) полов— монолитных и плиточных.

5. Жидкое стекло и кислотоупорный кварцевый цемент

Жидкое стекло представляет собой коллоидный вод­ ный раствор силиката натрия или силиката калия, име­ ющий плотность 1,3—1,5 при содержании воды 50— 70%.

Состав щелочных силикатов выражается формулой R20-m Si02, где R—Na или К; m — модуль жидкого стек­ ла; m натриевого стекла составляет 2,6—3,5; пг калиево­ го стекла—3—4. Натриевое стекло варят из кварцевого песка и соды в стеклоплавильных печах, как обычное стекло, и когда расплав застывает, образуются твердые прозрачные куски с желтоватым, голубоватым или слабо зеленым оттенком, называемые силикат-глыбой. Жидкое стекло получают, растворяя раздробленные куски сили­ кат-глыбы в воде при повышенной температуре и давле­ нии 0,6—0,7 МПа. Силикат натрия должен удовлетво­ рять требованиям, указанным в табл. 5.10.

Натриевое стекло применяют для изготовления кис­ лотоупорных и жароупорных бетонов, для уплотнения грунтов. Калиевое стекло, более дорогое, применяют пре­ имущественно в силикатных красках.

Жидкое стекло относят к воздушным вяжущим ве­ ществам.

Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидро­ лизу с участием С02 воздуха

Na2Si03 2Н20 -(- С02 = Si02*2H20 -f- Na2C03.

Выделяющийся гель кремневой кислоты SiOo*2H20 об­ ладает вяжущими свойствами, а водный раствор имеет щелочную реакцию. Для ускорения твердения жидкого стекла к нему добавляют кремнефторид натрия Na2SiF6, ускоряющий выпадение геля кремневой кислоты и гид­ ролиз жидкого стекла.

Кислотоупорный кварцевый цемент — это порошкооб­ разный материал, получаемый путем совместного помола чистого кварцевого песка и кремнефторида натрия (возможно смешение раздельно измельченных компонен­ тов). Кварцевый песок можно заменить в кислотоупор­ ном цементе порошком бештаунита или андезита. Кисло­ тоупорный цемент затворяют водным раствором жидкого сЗДкла, которое и является вяжущим веществом; сам же порошок вяжущими свойствами не обладает.

Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких растворов и бетонов, замазок. При этом берут кислотостойкие заполнители: кварцевый песок,

гранит,- андезит. Прочность при сжатии кислотоупорного бетона достигает 50—60 МПа. Будучи стойким в кисло­ тах (кроме фтористоводородной, кремнефтористо-водо- родной и фосфорной), кислотоупорный бетон теряет прочность в воде, а в едких щелочах разрушается.

Из кислотоупорного бетона изготовляют резервуары, башни и другие сооружения на химических заводах, ванны в травильных цехах. Кислотоупорные растворы применяют при футеровке кислотоупорными плитками (керамическими, стеклянными, диабазовыми) железобе­ тонных, бетонных и кирпичных конструкций на пред­ приятиях химической промышленности.

6. Вяжущие вещества автоклавного твердения

Пользуясь классификацией автоклавных материалов по составу исходных материалов, предложенной П. И. Боженовым, можно выделить следующие группы вяжу­ щих автоклавного твердения:

а) силикатные, приготовленные из сырьевой смеси, содержащей известь (гашеную или молотую кипелку) и кварцевый песок, образующие силикаты кальция в про­ цессе автоклавной обработки;

б) шлаковые, изготовляемые с использованием метал­ лургических или топливных шлаков в качестве кремне­ земистого компонента;

в) зольные, приготовляемые с применением золы от сжигания угля, сланцев, торфа;

г) вяжущие, изготовляемые с использованием отхо­ дов химической (нефелиновый шлам и др.) и горно-добы­ вающей промышленности.

Каждое из. указанных вяжущих содержит две глав­ ные части: кремнеземистый компонент (Si02 в кристал­ лической или аморфной форме) и известь (СаО); вводи­ мые добавки могут регулировать процесс структурирова­ ния.

Твердение этой группы вяжущих основано на техни­ ческом синтезе гидросиликатов кальция, происходящем в среде насыщенного водяного пара при температуре (в промышленных автоклавах) 174,5—200 °С и соответству­ ющем давлении пара 0,9—1,3 МПа. В результате взаи­ модействия оксидов Si02 и СаО с участием воды обра­ зуется группа гидросиликатов — тоберморитов состава

5.CaO-6Si02'/iH20 с различным количеством воды (я.— 3—10,5). Тоберморитам, обусловливающим высокую прочность автоклавных материалов, могут сопутствовать плохо закристаллизованные гидросиликаты.

Вяжущие автоклавного твердения применяют для изготовления разнообразных материалов: пористые (газосиликат, пеносиликат) — для теплоизоляции элементов наружных стен и покрытий зданий; плотные — для кон­ струкционных элементов.

Использование промышленных отходов, не требую­ щих обжига, для бесцементных вяжущих материалов да­ ет возможность экономить топливо и энергию, получать сравнительно низкую их себестоимость и одновременно решать экологические проблемы, защиты среды от за­ грязнения отходами производства.

§ 10. РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ.

Вдвенадцатой пятилетке предусмотрен выпуск в 1990 году 140—142 млн.,т цемента, улучшение его каче­ ства, а .также расширение производства высокомароч­ ных, специальных и многокомпонентных цементов.

Вгоды первых пятилеток и особенно после Великой Отечественной войны цементная промышленность быстро

развивается. Производство цемента в СССР за период 1950—1975 гг. возросло в 12 раз и достигло в 1984. г. 130 млн. т.

Среди современных Вяжущих веществ основным яв­ ляется портландцемент, с которым связана эпоха желе­ зобетона в строительстве. Мировое производство цемен­ та в 1980 г. составило 8В8 млн. т, из них в СССР в 1982 г. было выпущено 125 млИ„ т, а в США 76 млн. т цемента; выпуск цемента на душу населения в 1981 г. составил в

СССР 475 кг, а в США—331 кг. С 1962 г. СССР зани­ мает первое место в мире по объему производства це­ мента. Неуклонно возрастает средняя марка цемента, кг/см2: 1975 г. — 359, в 1977 г. — 405, в 1980 г. — 410,

Существенно улучшается ассортимент цементов, уве­ личивается производство быстротвердеющих портландце­ мента и шлакопортланДцемента. Экономия от примене­ ния 1 т БТЦ марки 600 по сравнению с маркой 400 со­ ставляет 2;5—3 руб. вследствие сокращения расхода цемента и ускорения производственного цикла изготовле­

ния железобетонных изделий. При этом заводская се­ бестоимость железобетонных изделий при применений БТЦ снижается на 1,54—2,4 руб/м3.

Повышение марки на одну ступень (100) эквивалент­ но экономии 10—15 % цемента в бетоне.

Введение гидрофобно-пластифицирующих добавок придает специальные свойства цементам и позволяет снизить расход цемента на 1 м3 бетона на 10—15% ;эти же добавки являются интенсификаторами процесса по­ мола клинкера и снижают расход электроэнергии на по­ мол.

Важнейшей задачей является коренная интенсифика­ ция технологии цемента с одновременной экономией топ­ лива и энергии. Эта задача решается путем перевода це­ ментных заводов с мокрого на сухой способ производст­ ва с использованием метода предварительной подготовки (декарбонизации) сырья. Значительное снижение затрат топливно-энергетических ресурсов и решение экологиче­ ских проблем вовлекают в сферу производства вяжущих веществ промышленные отходы, не требующие обжига (шлаков, зол, и т. п.).

Потребуется существенно увеличить производство многокомпонентных местных бесклинкерных вяжущих для сельскохозяйственного строительства: известково­ шлаковых, сульфатно-шлаковых, известково-зольных и других для применения в бетонах марки М 150 и ниже, в ячеистых бетонах и строительных растворах. Это дает значительную экономию топлива, электроэнергии и рас­ хода цемента. Высокая экономическая эффективность ка­ питальных вложений в производство местных вяжущих видна из данных табл. 5.11.

Производство строительной извести увеличилось за период с 1940 до 1975 г. в 3 раза. Потребность в извести возрастет в связи с развитием производства силикатного кирпича и силикатных бетонов автоклавного твердения, включая газосиликатные изделия низкой средней плот­ ности. Экономически целесообразно повышение сортно­ сти извести и увеличение выпуска молотой и гйдратной извести (пушонки), а также молотой извести с добавка­ ми.

Производство гипсовых вяжущих в 1975 г. составило 4,9 млн. т, причем 98 % падает на строительный гйпс. Выпуск высокопрочного гипса (он составляет около 2 %) будет увеличен. На производство гипсовых вяжущих за-