24. Процессы получения вяжущих веществ из минерального сырья.

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмельченные твердые продукты переработки минерального сырья, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая под влиянием физико-химических процессов переходит в твердое агрегатное состояние . Как самостоятельный товарный продукт они широко используются для приготовления различных композиционных материалов строительного и иного предназначения (строительных растворов , бетонов , искусственных каменных материалов и изделий ).

Минеральные вяжущие вещества подразделяют на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества твердеют, сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе ( к ним относятся: гипсовые и магнезиальные вяжущие , воздушная известь и др. ) .

Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и длительно сохранять свою прочность не только на воздухе , но и в воде ( портландцемент и его разновидности , гидравлическая известь и др.) .

Получение минеральных вяжущих из гипса

Вяжущие, получаемые из гипса делят на две группы: низкообшговые и высокообжиговые:

• низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании природного (двухводного) гипса CaSO₄ · 2H₂O до температуры 150 - 160°С, что сопровождается его частичной дегидратацией и пере­водом его в полуводный гипс CaSO₄ · 0,5H₂O;

• высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжи­гом .двуводного гипса при более высокой температуре до 700 - 1000°С с полным удалением химически связанной воды и образова­нием безводного сульфата кальция — ангидрита CaSO₄.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природ­ный гипс ( CaSO₄ · 2H₂O) и природный ангидрид ( CaSO₄ ) .

В этих условиях образуются мелкие кристаллы полуводного сернокислого кальция β-модификации. Производство гипсового вяжущего ( см. рис. 10.32) включает дробление, измельчение и тепловую обработку, вызывающую дегидратацию гипсовой породы. Имеется несколько технологических схем производства гипсового вяжуще­го: в одних измельчение предшествует обжигу, в других оно произ­водится после обжига, а в третьих измельчение и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига гипса во взвешенном состоянии.

Наиболее распространена схема производства гипсового вя­жущего с применением специальных варочных котлов.

Высокообжиговые ( ангидритовые) вяжущие получают в результате обжига природного двуводного гипса при температуре 600 - 700°С с последующим его измельчением с различными добавками — катализаторами твердения.

CaSO₄·2H₂O → CaSO₄ + 2H₂O

Ангидритовый цемент — это медленно схватывающееся вяжущее вещество с началом схватывания не ранее 30 мин, концом — не позднее 24 ч. Марки ангидритового цемента по прочности при сжатии М50, 100, 150 и 200. Применяют ангидритовые цементы для приготовления кладочных и отделочных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий.

Негашенную известь ( СаО) получают путем обжига (до диссоциации ) кальциево-магниевых карбонатных горных пород — мела, известняка, доломитизированных и мергелистых известняков, доломитов.

Технологический процесс получения извести состоит из добычи карбонатной породы (известняка) в карьерах, его подготовки (дробления и классификации) и обжига ( см. рис. 10.34). После обжига производят измельчение обожженного продукта в кусковом виде до получения порошкообразной негашеной извести (CaO), или смешивание «комовой» извести с водой (гашение), для получения гашеной извести (Ca(OH)₂).

Основным процессом при производстве извести является обжиг карбонатной породы, при котором известняк декарбонизуется и превращается в известь по реакции СаСОз → СаО + CО₂. Диссоциация карбонатных пород сопровождается поглощением теплоты ( 1 г-моль СаСОз требует для разложения примерно 190 кДж). Реакция разложения (диссоциации) карбоната кальция обратима и зависит от температуры и парциального давления углекислого газа. Диссоциация углекислого кальция достигает заметной величины при температуре свыше 600 °С. Теоретически нормальной температурой диссоциации считают 900°С. В производственных условиях температура обжига известняка зависит от плотности известняка, наличия примесей, типа печи и ряда других факторов и составляет обычно 1100 - 1200°С.

Производство портландцемента.

Портландцемент относят к гидравлическим вяжущим веществам, твердеющим в воде и на воздухе. Его получают тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде кусков размером до 40 мм называется клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Для регулирования сроков схватывания в обычных цементах марок 300...500 при помоле к клинкеру добавляют гипс не менее 1,0% и не более 3,5% от массы цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SО₃, а в цементах высокомарочных и быстротвердеющих — не менее 1,5% и не более 4,0%. Портландцемент выпускают без добавок или с активными минеральными добавками.

Качество клинкера зависит от его химического и минералогических составов. Для производства портландцементного клинкера формируют полиминеральную шихту, включающую известняк ( CaCO₃) и глину ( алюмосиликат сложного состава). Её химический состав характеризуется присутствием следующих оксидов: СаО , CО₂ , SiО₂, А1₂Оз и Fе₂Оз. В процессе обжига сырьевой смеси удаляется CО₂, а оставшиеся четыре оксида: СаО, SiО₂, А1₂Оз и Fе₂Оз – в результате твердофазного взаимодействия при высоких температурах образуют клинкерные минералы. Содержание оксидов в цементе примерно следующее: 64 - 67% СаО, 21 - 24% SiО₂, 4 - 8% А1₂Оз Технологический процесс производства портландцемента ( рис. 10.37) состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины, подготовки сырьевых материалов и корректирующих добавок, приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига смеси и измельчения клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом, а иногда с добавками.

, 2 - .4% Fе₂Оз.

В зависимости от условий приготовления сырьевой смеси различают два основных способа производства портландцемента: мокрый и сухой. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

Каждый из способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг смеси в 1,5 - 2 раза больше, чем при сухом способе. Развитие сухого способа длительное время ограничивалось вследствие низкого качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили качество портландцемента.