Магнезиальными вяжущими называют тонкомолотые порошки, содержащие окись магния и при затворении их водными растворами хлористого или сернокислого магния способные твердеть, приобретая свойства камня. Различают два вида магнезиальных вяжущих материалов: каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит MgO получают путем обжига природного магнезита MgCO ₃ до полного разложения и выделения из него СО₂. Обжиг производят при температуре 75О...85О°С в шахтных или вращающихся печах. При затворении водой каустический магнезит твердеет медленно; прочность изделий из него незначительна. Для устранения этого недостатка затворение производят растворами хлористого магния MgCl ₂ *6 H 2 O или сернокислого магния MgSO ₄ *7 H ₂ O. При этом скорость твердения и прочность резко возрастают. Начало схватывания наступает не ранее 20 мин, а конец — не позднее 6 ч после затворения.

Каустический магнезит называют также магнезиальным цементом. Магнезиальный цемент, затворенный водным раствором хлористого магния, через 28 суток твердения имеет предел прочности на сжатие до 30...40 МПа. По пределу прочности на сжатие образцов, изготовленных из раствора состава 1:3, для каустического магнезита установлены марки 400, 500, 600 (для доломита — 100, 150, 200,300).

Каустический магнезит в отличие от других вяжущих дает возможность получать высококачественные растворы и бетоны не только с каменными материалами, но и с органическими: древесными опилками, стружкой, кострой и т. д. При использовании в качестве заполнителя опилок получают ксилолит (дерево-камень), из которого изготовляют плиты для полов, плитки и другие изделия. Применяют каустический магнезит и для производства теплоизоляционных фибролитовых плит, получаемых из смеси стружки, для производства газобетона, растворов и т. д.

Каустический доломит — вяжущее, состоящее из окиси магния и углекислого кальция MgO * CaCO ₃, получаемое обжигом природного доломита MgCa ( CO ₃ )₂ при температуре 65О...75О°С с последующим помолом продукта обжига. Производство каустического доломита практически не отличается от производства каустического магнезита.

Путем обжига доломита при разных температурах можно получить следующие материалы: 1) каустический доломит, состоящий из MgO и СаСОз; 2) доломитовый цемент, получаемый обжигом при температуре 75О...85О°С и содержащий в своем составе MgO , CaO и СаСО₃; 3) доломитовую известь, состоящую из окисей MgO и СаО и получаемую обжигом при температуре 900... 1050°С; 4) огнеупорный материал, получаемый обжигом доломита при 1380...1500°С до спекания.

Для обеспечения нормального твердения в каустический доломит вводят растворы солей хлористого и сернокислого магния. Начало схватывания при обычной (18...20°С) температуре наступает через 3...10 ч, а конец — через 8...20 ч после затворения. Изделия и материалы, полученные с использованием каустического доломита, имеют меньшую прочность, чем на каустическом магнезите. Через 28 суток каустический доломит имеет предел прочности при сжатии 10...20 МПа, и только в отдельных случаях он достигает 30 МПа.

Применяют каустический доломит для тех же целей, что и магнезит: для изготовления ксилолита, фибролита, теплоизоляционных материалов, различных бетонных и железобетонных надземных конструкций и т. д.

Магнезиальные вяжущие следует хранить в герметически закрытой таре, так как они гигроскопичны.

Растворимое стекло

Растворимое (жидкое) стекло-— раствор силиката натрия или калия, обладающий вяжущими свойствами благодаря способности твердеть на воздухе с выделением аморфного кремнезема.

Сырьем для изготовления растворимого стекла служат молотый чистый кварцевый песок и кальцинированная сода или сульфат натрия. Смесь этих материалов после тщательного перемешивания поступает в стекловаренную печь, где сплавляется, а затем при повышении температуры до 1400°С разжижается. Полученная стекломасса выпускается из печи в яму или вагонетки и вследствие быстрого охлаждения распадается на куски. Застывшие куски растворимого стекла называют силикат-глыбами. Для перевода в жидкое состояние силикат-глыбы дробят до получения частиц размером 6...8 мм и загружают в автоклавы, куда под давлением 0,5... 0,8МПа подают пар, растворяющий куски. Чаще применяют жидкое натриевое стекло, так как оно значительно дешевле, чем калиевое.

Растворимое стекло может затвердевать только на воздухе. Значительно ускоряет процесс твердения растворимого стекла добавка кремнефтористого натрия Na ₂ SiF ₆, который придает водорастворимому стеклу водоустойчивость.

Применяют жидкое стекло также для изготовления кислотоупорных растворов и бетонов, для защиты бетона и природного камня от коррозии, для приготовления кислотостойких и жароупорных бетонов и обмазок, растворов огнезащитных и силикатных красок и др. Оно может быть использовано для укрепления грунтов при строительстве автомобильных дорог, а также плывунных грунтов под фундаментами зданий и сооружений.

19 ноября 2018 до

Гидравлическая известь

Гидравлическая известь — вяжущее вещество, получаемое путем умеренного обжига (не до спекания) мергелистых известняков (с массовой долей глинистых примесей 6...20%) в шахтных печах при температуре 900...1000°С с последующим помолом в порошок. Кроме глинистых и песчаных примесей, мергелистые известняки содержат до 5% углекислого магния и некоторые другие примеси. Качество гидравлической извести в значительной степени зависит не только от содержания их в исходном сырье, но также и от режима обжига.

При схватывании и твердении молотой гидравлической извести имеют место физико-химические процессы, характерные как для молотой воздушной извести, так и для гидравлических вяжущих материалов. Молотая гидравлическая известь — это медленносхватывающееся вяжущее вещество. Начало схватывания его наступает через 1...2 ч, а конец — через 8...16 ч после затворения.

Растворы и бетоны на гидравлической извести помещать в воду сразу после их изготовления нельзя, так как первые 7...21 день они должны твердеть на воздухе.

Несмотря на низкую прочность, гидравлическая известь — ценный строительный материал и часто используется вместо некоторых дорогостоящих вяжущих веществ. Ее применяют в тонкоизмельченном виде для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок, шлакобетонов и т. д. В отличие от воздушной гидравлическая известь обеспечивает получение менее пластичных растворов, быстрее и равномернее твердеющих, с более высокой прочностью. На ее основе изготовляют смешанные цементы: известково-шлаковые, известково-пуццолановые и др.

Хранят и перевозят гидравлическую известь в плотно закупоренной таре или бумажных мешках. Хранить ее на складах рекомендуется не более 30 суток, так как она быстро теряет свою активность.

Портландцемент

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Получают портландцемент путем совместного измельчения цементного клинкера и гипса. Клинкер получают в результате обжига до спекания природных мергелей или сырьевой смеси (глины, известняка и др.) состава, обеспечивающего преобладание в клинкере силикатов кальция.

Портландцемент может выпускаться без добавок или с добавками активных минеральных веществ, доза которых составляет до 15% от массы цемента. Для регулирования сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют.

Качество цемента зависит от химического и минералогического состава клинкера.

Химический состав цементного клинкера характеризуется следующим содержанием окислов: СаО — 63...67%; SiO ₂ — 21...24%; А1₂Оз — 4...7%; Fe ₂ O ₃ — 2...5%; незначительное содержание MgO , К₂О и Na ₂ O снижает качество цемента.

Вышеназванные окислы находятся в химически связанном состоянии и образуют в цементном клинкере силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция, которые называют основными цементными минералами. К ним относятся: двухкальциевый силикат 2 Ca О* SiO ₂, которого содержится в клинкере 15...35% по массе; трехкальциевый силикат 3 CaO * SiO ₂ — 45...60%; трехкальциевый алюминат ЗСаО*А1₂О₃ — 4... 14%; четырехкальциевый алюмоферрит 4 CaO * Al ₂ O *- Fe ₂ O ₃ — 10...18%. Кроме того, могут содержаться и другие минералы: 5СаО*А1₂О₃; 8 CaO * Al ₂ O ₃ * Fe ₂ O ₃; 2 CaO * Fe ₂ O ₃; свободная окись СаО и MgO как результат неполного обжига клинкера или излишка кальция и магния.

Сырье для производства портландцемента должно содержать около 75...78% (массовая доля) СаСО₃ и 22...25% глинистого вещества. Этим требованиям удовлетворяют мергели. При их отсутствии используют карбонатные породы с высоким содержанием СаСО₃ и глинистые породы, богатые глиноземом, кремнеземом и окислами железа. В последние годы для производства портландцемента начали широко применять отходы промышленности: доменные гранулированные шлаки, нефелиновый шлам и др.

Технология производства портландцемента включает следующие основные операции: добычу сырья (мергелей или глины и известняка); измельчение исходных материалов; приготовление смеси требуемого состава; обжиг смеси; измельчение совместно с гипсом полученного в результате обжига цементного клинкера.

Сырьевая смесь готовится мокрым и сухим способами. В зависимости от этого назначают и способ производства портландцемента: мокрый или сухой. В последнее время применяют и комбинированный способ.

Сухой способ применяется, когда используют мергели определенного химического состава или смеси твердых известняков и глин с невысокой влажностью. При этом материалы после дробления и сушки размалывают в шаровых или других мельницах. Должна обеспечиваться такая тонкость помола, чтобы через сито № 008 проходило не менее 90...95% (по массе) продукта помола. Полученную муку отправляют на корректирование химического состава и гранулирование на тарельчатых грануляторах. Гранулы размером 5... 10 или 20...40 мм обжигают во вращающихся печах. Помол цементного клинкера производят в многокамерных шаровых мельницах.

При мокром способе измельчения материалы смешивают в воде, полученную смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах. При этом способе смеси получаются более однородными, в них легче вводить добавки и регулировать их состав.

Сухой способ более экономичный, но длительное время широкого применения не находил из-за пониженного качества клинкера. При мокром способе облегчается измельчение материалов, достигается высокая однородность смеси, но в 1,5...2 раза больше расход топлива, а также значительно увеличивается длина вращающихся печей при обжиге в них мокрой смеси.

При комбинированном способе сырьевую смесь готовят мокрым способом, затем ее обезвоживают на специальных установках до влажности 16...18%. Из полученной смеси готовят гранулы размером до 40 мм и обжигают их во вращающихся печах.

После выдерживания на складах клинкер подают в многокамерные шаровые мельницы для размола. В процессе помола вводят до 3,5% (по массе) природного гипса и при необходимости до 15% активных минеральных добавок. Без добавки гипса цемент очень быстро схватывается при смешивании его с водой.

Полученный цемент две-три недели выдерживают в специальных силосных башнях для обеспечения нормальных сроков схватывания и гашения влагой воздуха частиц пережженных СаО и MgO. После этого цемент упаковывают в многослойные бумажные мешки по 50 или 70 кг и отправляют потребителям. На мешках указывают наименование завода, цемента, его марку, номер партии, год и месяц изготовления.

Цемент потребителям может доставляться в специальных вагонах или автомашинами-цементовозами, когда расстояние от завода до потребителя небольшое.

Свойства портландцемента

При смешении цемента с водой начинаются физико-химические процессы взаимодействия цементных минералов и воды. Сначала образуется пластичное клейкое цементное тесто, которое в дальнейшем постепенно загустевает и превращается в камень.

Скорость схватывания и твердения портландцемента зависит от минералогического состава, тонкости помола, содержания воды, взятой для затворения, температуры и других факторов.

Кроме химических преобразований, имеют место и физические процессы, благодаря которым цемент при затворении водой из пластичного теста превращается в материал со свойствами камня.

Зерновой состав гипса и гидравлических добавок разнообразен, что сказывается на неоднородности структуры. К тому же при взаимодействии этих веществ с цементными минералами образуются новые продукты.

При благоприятных условиях для твердения цемента необходимо, чтобы масса воды составляла 15..25% от массы цемента. Но для получения удобоукладываемой пластичной смеси расходуют воды в 2...3 раза больше. Вся излишняя вода, которая не вступила во взаимодействие с главнейшими цементными минералами, находится в свободном состоянии. При ее испарении в цементном камне образуются поры и капилляры. Чем больше такой воды, тем больше пористость камня. Это приводит к снижению прочности и морозостойкости бетонных изделий.

Тонкость помола цемента существенно влияет на процессы взаимодействия цемента и воды, т. е. на сроки схватывания и скорость твердения цементного камня. Согласно требованиям ГОСТа, тонкость помола цемента должна быть такова, чтобы при просеивании пробы сито № 008 проходило не менее 85% массы пробы. Кроме того, характеристикой тонкости помола является суммарная поверхность зерен цемента в единице массы (удельная поверхность), которая определяется специальными приборами. Обычные цементы имеют удельную поверхность 2500...3000 см²/г, а быстротвердеющие — 4000 см²/г и выше.

Прочность цемента определяется путем испытания образцов-балочек с размерами 40х40х160 мм, изготовленных из пластичного раствора состава 1:3 (одна массовая часть цемента и три части нормального Вольского песка). Образцы выдерживают 28 суток во влажной среде при температуре 20±3°С. После этого определяют предел прочности при изгибе балочек и при сжатии половинок образцов. Предел прочности при сжатии образцов в возрасте 28 суток называют активностью цемента.

Марка цемента устанавливается по пределу прочности на сжатие и изгиб. Для отнесения портландцемента к той или другой марке предел прочности образцов в возрасте 28 суток должен быть: для марок 300, 400, 500 и 600 на сжатие соответственно не менее 30, 40, 50 и 60 МПа; при изгибе — 4,5; 5,5; 6 и 6,5 МПа.

Твердение портландцемента и нарастание его прочности в начальный период происходит интенсивно, а затем постепенно затухает. Так, на третьи сутки предел прочности достигает 40...50% марки цемента, а на седьмые — 60…70%. Далее прирост прочности еще более замедляется, и к 28-суточному возрасту цементный камень набирает марочную прочность. При благоприятных условиях процесс твердения продолжается месяцы и годы.

Лекция 3

 ПРИРОДА ТВЕРДЕНИЯ.