Промышленные отходы - сырье для строительных материалов

В технологии бетона особый интерес вызывают те побочные продукты, которые являются химически активными материалами и участвуют в процессах формирования структуры.

По классификации Боженова П.И. техногенное сырье по агрегатному состоянию в момент его выделения из основного технологического процесса разделяется на три класса.

1. Продукты, не утратившие природных свойств (карьерные остатки при добыче горных пород; остатки после обогащения породы на полезное ископаемое).

2. Искусственные продукты, полученные в результате глубоких физико-химических процессов, образовавшиеся:

при обработке ниже Т_спек;

при условии полного или частичного расплавления исходного сырья;

при осаждении из расплава при Т < 200 °С.

3. Продукты, образовавшиеся в результате длительного хранения отходов в отвалах (жидкие: растворы, эмульсии, грязи; твердые: щебень, пески, порошки).

Минеральным сырьем1 класса являются попутные продукты промышленности нерудных строительных материалов и горно-обогатительных комбинатов (ГОК). «Хвосты» обогащения ГОКов, содержащие в основном кварц, полевые шпаты, карбонаты кальция и магния, могут использоваться в качестве заполнителей для производства бетонных и растворных смесей, если по размеру зерен удовлетворяют требованиям действующих стандартов.

Техногенным сырьем2 класса являются металлургические шлаки, золы и шлаки, образовашиеся при сжигании твердого топлива на ТЭС, шламы глиноземной и химической промышленности, пыль газоочистки производства ферросилиция и другие. Эти продукты, во многом различаясь по химическому и минералогическому составу, могут использоваться и в качестве вяжущего материала и как минеральные добавки в бетонах и растворах.

Продукты3 класса пока не находят широкого применения в производстве строительных материалов из-за разнообразия процессов, происходящих в отвалах. Наиболее подробно изучены горелые породы угледобывающей промышленности, которые могут применяться как неактивные минеральные компоненты бетонных и растворных смесей.

В строительстве используют как хвойные, так и лиственные породы древесины. К первым относятся сосна, ель, пихта, лиственница, кедр; ко вторым —береза, осина, тополь, дуб, бук, ольха, липа и др.

Основными пороками древесины являются: сучки, косослой, трещины и гнили.

Древесина имеет волокнистую структуру, Многие свойства древесины (набухание, прочность, проницаемость и др.) напрямую зависят от структурного направления, что делает древесину обычным анизотропным материалом, у которого в отличие от изотропного материала количественные характеристики таких свойств в каждом направлении разные. Иная важная особенность структуры древесины — это то что она является пористым материалом, т.е. материалом, в котором имеются пустоты (поры), не заполненные веществом самого материала. Поверхность материала древесины гидрофильна, а поперечные размеры ее пустот меньше капиллярной постоянной воды (3,8 мм при 20°С). Относительная плотность древесины — безразмерная величина, так как она представляет собой отношение массы древесины к массе вытесняемой ею воды

Склонность древесины к гниению и возгоранию делает деревянные конструкции недолговечными и ненадежными. Поэтому принимаются меры по снижению горючести и повышению биостойкости древесины.

Защита от гниения. Как уже указывалось в § 3.3, гниение древесины происходит в тех случаях, когда на ней начинают развиваться грибы, использующие древесину как питательную среду. Для их развития необходимы определенные условия: влажность древесины не менее 18...20 %; свободный доступ кислорода; температура + 5...+ 40° С.

Если какое-либо условие не выполняется, гниения древесины не происходит. Наиболее радикальный и реальный с конструктивной точки зрения путь защиты древесины от гниения — сухой режим эксплуатации (влажность древесины должна быть не более 15 %).

Если этот путь невозможен, то можно сделать древесину ядовитой для грибов. Последний прием называют антисептированием (от греч. Septikos — вызывающий гниение). Этот путь защиты древесины использовался с давних времен. Например, древесину обжигали до образования на поверхности слоя древесного угля. Более эффективна пропитка древесины дегтем, ароматические компоненты которого (фенолы, крезол и др.) обеспечивают его антисептическое действие (о дегте подробнее см. § 9.2). Кроме того, такая обработка придает древесине гидрофобность. Но при этом древесина приобретает темно-коричневую окраску и характерный дегтярный запах.

Для антисептирования деревянных конструкций, с которыми человек находится в непосредственном контакте, используют водорастворимые антисептики — соли фтористоводородной и кремнефторис-тых кислот (NaF; Na2SiF6) и другие ядовитые для грибов соединения (хлорид цинка, пентахлорфенол). Эти антисептики не имеют цвета и запаха, а пропитка ими не препятствует склейке и окраске древесины. Защита от возгорания.

Древесина относится к сильногорючим и легковоспламеняемым материалам. Возгорание древесины при контакте с открытым огнем происходит при температуре 260...290° С, а при нагреве выше 350° С газы, выделяющиеся из древесины, способны самовозгораться. Для предупреждения возгорания древесины применяют специальные меры конструктивного характера, сводящие к минимуму вероятность нагрева древесины и ее контакта с огнем. Другой путь защиты древесины — снижение возгораемости самой древесины.

Снижение возгораемости древесины вплоть до перевода ее в группу трудносгораемых можно достичь двумя путями: покрытием древесины огнезащитными составами; пропиткой древесины антипиренами (от греч. руr— огонь).

Огнезащитные покрытия могут быть в виде обмазок, красок и лаков. Обмазки состоят из неорганических связующих (глина, известь, гипс), наполнителей (слюда, асбест и т. п.) и антипиренов. Обмазки наносят слоем 2—3 мм на деревянные конструкции, к которым не предъявляются декоративные требования. Огнезащитные краски образуют более декоративные покрытия. Огнезащитная функция заключается в образовании оплавленных стекловидных пленок, предотвращающих доступ кислорода к древесине и защищающих ее от нагрева. Огнезащитные лаки используются в тех случаях, когда необходимо сохранить видимой природную текстуру дерева. При контакте с огнем лаковая пленка вспучивается (наподобие «воздушной кукурузы») и образует теплоизолирующее трудносгораемое покрытие на поверхности древесины.

Огнезащитные пропитки — растворы солей и некоторых других веществ — антипиренов, которыми пропитывают древесину.

При нагреве до температуры возгорания древесины антипирены действуют по следующим схемам:
• разлагаются с выделением газов, не поддерживающих горение (С02, NH3 и др.);
• плавятся с образованием газонепроницаемой стеклообразной пленки;
• вспучиваются, а затем обугливаются, образуя теплоизолирующее покрытие.

Пока протекают эти процессы, древесина не загорается.

Наиболее распространенные антипирены: фосфат и сульфат аммония, бура (Na2B4O7 • 10Н2О), поташ (К2СО3), борная кислота (Н3ВО2). В последнее время в качестве антипиренов предложены элементорга-нические соединения, содержащие галогены и фосфор (например, трихлорэтилфосфат).

Так как технология пропитки антисептиками и антипиренами одинаковая, то часто проводят комплексную обработку древесины против гниения и возгорания. Для этого используется, например, водный раствор, содержащий 15 % антипиренов (диаммоний фосфата 7,5 %, сернокислого аммония — 7,5 %) и 2 % антисептика — фтористого натрия.

Пропитка древесины может быть поверхностная или глубокая. Проводится она до окраски деревянных конструкций или столярных изделий.

Поверхностная пропитка производится путем 2—3-кратной обработки деревянных элементов концентрированными растворами с помощью кисти или распылителя. Ее производят обычно в построечных условиях на готовых конструкциях. Недостаток такой обработки — возможность вымывания пропитывающего состава и появления высолов на конструкции. Механическая обработка (острожка, шлифование) после пропитки не допускается, так как при этом снимается пропитанный слой древесины.

Глубокая пропитка обеспечивает проникновение антисептиков и антипиренов в глубину древесины, что повышает надежность пропитки. Ее производят в заводских условиях; при этом пропитывают обычно подкрашенным раствором. Используют два метода глубокой пропитки.

• Метод горяче-холодных ванн: обрабатываемую древесину сначала помещают в горячий раствор. В нем из древесины выходит воздух и пары воды. Затем древесину перемещают в холодный раствор; в порах древесины при этом образуется разряжение и туда активно засасывается раствор.
• Автоклавно-диффузионный метод: древесину помещают в автоклав (толстостенную герметически закрывающуюся емкость), в котором создают разряжение 0,06...0,08 МПа. Затем туда подают пропиточный состав с температурой не ниже 70° С и постепенно поднимают давление.

Материалы и изделия из древесины разделяют на несколько групп: лесоматериалы, получаемые путем механической обработки дерева; модифицированная древесина, обработанная синтетическими смолами, прессованная, пластифицированная аммиаком и др.; древесные изделия — фанера, столярные плиты, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, древесно-слоистые пластики и др.

Лесоматериалы подразделяются на круглые, пиленые, лущеные, фрезерованные (строганые), колотые и побочные продукты — опилки, стружки, щепа, древесная мука.

Круглые лесоматериалы, т. е. стволы поваленного дерева, очищенные от сучьев. Их делят на части (раскряжевка) разной длины—бревна, кряжи, чураки. По толщине круглые лесоматериалы подразделяют на крупные диаметром более 26 см, средние —от 14 до 24 см, мелкие —от 6 до 13 см. Еще более тонкий лес от 3 до 7 см называют жердями. В зависимости от качества древесины (наличия пороков) и дефектов при обработке круглые лесоматериалы делят на четыре сорта, из которых в строительстве используют главным образом 2-й и 3-й.

Пиломатериалы подразделяют на бруски, брусья, пластины, четвертины, доски и горбыль. Бруски имеют толщину менее 100 мм и ширину не более двойной толщины. Брусья имеют толщину и ширину более 100 мм; доски имеют толщину менее 100 мм и ширину более двойной толщины. Брусья и доски бывают обрезные и необрезные (кромки не пропилены или пропилены меньше, чем на половине длины). Доски тоньше 32 мм называют тонкими или тесом. Длина досок от 1 до 6,5 м.

Доски и брусья хвойных пород делят на пять сортов — отборный, 1-й, 2-й, 3-й и 4-й. В столярном производстве используют только 1-й и 2-й сорта. Максимальная ширина досок и брусьев 250 мм, у брусков — 200 мм. Пиломатериалы лиственных пород делят на три сорта. Для производства деталей готовых изделий применяют так называемые заготовки — доски и брусья, прирезанные применительно к заданным размерам и с припусками на механическую обработку и усушку. Их используют для клееных конструкций, а также для изготовления плинтусов, галтелей, карнизов, наличников и др.

Изделия из древесины. Элементы небольшого поперечного сечения—деревянные фрезерованные детали, называемые погонажными (их измеряют погонными метрами) - это плинтусы, галтели, карнизы, пояски, наличники, поручни для лестничных перил, обшивки, раскладки, а также доски и бруски для покрытия полов (на одной кромке имеют паз, на другой гребень).

Столярные плиты состоят из внутреннего щита, который изготовляют из узких реек путем их тесного состыковывания «впритык», и наклеенных на него с обеих сторон шпона в один или два слоя. Для производства столярных плит используют древесину хвойных и лиственных мягких пород, главным образом отходы производства (горбыли, рейки и др.). Размеры столярных плит: длина — до 2500 мм, ширина— до 1525 мм, толщина — до 30 мм. Из этих плит изготовляют двери, перегородки, щитовую мебель и пр.

К паркетным изделиям относят штучный паркет, паркетные доски, паркетные щиты и мозаичный (наборный) паркет. Штучный паркет состоит из планок твердых пород дерева (дуба, ясеня, бука, клена и др.), определенных размеров и формы. Паркетные доски представляют собой очень экономичные индустриальные изделия, поскольку на них расходуется очень мало ценной древесины— дуба, ясеня, бука, клена, вяза и других твердых пород. Планки на них имеют длину 140... 170 мм, ширину 20... 30 мм и толщину всего 6...8 мм и наклеиваются водостойкими клеями на реечное основание длиной 1,2...3,0 м, шириной 150...175 мм, изготовленное из обычных хвойных и лиственных пород — сосны, ели, пихты, березы, ольхи, осины и др.

Паркетные щиты состоят из деревянного основания из брусков и лицевого покрытия из паркетных планок {чаще квадратных). Щиты размерами 400x400 или 800X800 мм соединяются между собой в паз и гребень или на вкладные шпонки.

Наборный (мозаичный) паркет состоит из отдельных планок из твердых пород дерева, наклеенных лицевой поверхностью на бумагу водорастворимым клеем, который смывается после укладки паркета на основание.

К изделиям из древесины относится также фанера, применяемая в качестве отделочного и конструктивного материала в деревянных конструкциях. Фанера состоит из отдельных тонких слоев древесины — шпона, полученных лущением на специальных лущильных машинах или строганием распаренных древесных кряжей и склеенных между собой. Слои шпона располагают так, чтобы направление волокон в соседних слоях было взаимно перпендикулярно. Чаще всего фанера имеет нечетное число слоев — 3, 5, 7 и т. д., толщину от 1,5 до 18 мм и размеры листа до 2400X1525 мм. Фанера бывает обычная клееная и декоративная, облицованная пленочным покрытием из смол или декоративной бумагой. Применяется также бакелизированная фанера из листов березового шпона, склеенных феноло- или крезолоформальдегидными смолами, которая отличается повышенной прочностью и водостойкостью.

Столярно-строительние изделия — оконные и дверные блоки, перегородки и панели жилых и гражданских зданий — относятся к крупноразмерным изделиям. Изготовляются целые комплекты для сборных деревянных домов — брусковых, каркасно-обшивных и каркасно-щитовых. Их производство осуществляется на специализированных деревообрабатывающих заводах; там же изготовляют балки для перекрытий, щиты для наката и перегородок, арки и части металлодеревянных ферм, сваи, шпунт, мостовые брусья и шпалы.

В последние годы все шире применяются клееные конструкции, крупноразмерные элементы, изготовляемые путем склеивания сравнительно небольших деревянных заготовок друг с другом или с другими материалами — арки, балки двутаврового сечения, блоки и т. д. Их изготовляют на водостойких и высокопрочных полимерных клеях. Они отличаются большей прочностью, водостойкостью, био- и огнестойкостью, чем обычные конструкции из древесины, не подвержены усушке и короблению. Использование клееных конструкций— один из наиболее экономически эффективных путей применения древесины в строительстве.

Минеральные вяжущие представляют собой порошкообразные вещества, способные при смешивании с водой (иногда с растворами солей) образовывать вязкопластичную легкоформуемую массу, постепенно затвердевающую в камневидное тело.

В строительстве вяжущие чаще используют в смеси с заполнителями для экономии вяжущего и улучшения некоторых свойств искусственного камня. Различают следующие виды смесей на основе вяжущих веществ:

— вяжущее (например, гипсовое) тесто — смесь вяжущего (гипса) с водой; отвердевшее гипсовое тесто называют гипсовый камень;
— растворная смесь, состоящая из вяжущего, воды и песка; после затвердевания смеси образуется строительный раствор;
— бетонная смесь, включающая в себя вяжущее, воду, песок и щебень (или гравий); затвердевшую бетонную смесь называют бетоном.

Минеральные вяжущие в зависимости от их способности твердеть (набирать прочность) в определенных условиях делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе; в воде они сильно размокают. Причина снижения прочности в воде заключается в сравнительно высокой растворимости компонентов искусственного камня. К этой группе относят: гипсовые и магнезиальные вяжущие, растворимое стекло, воздушную известь. Иногда к воздушным вяжущим относят глину. Однако это не совсем обосновано, так как глиняное тесто затвердевает исключительно за счет высыхания и не изменяет при этом свой химический состав, что характерно для твердения всех минеральных вяжущих. В сельском строительстве глина и сейчас используется как местный связующий материал в штукатурных растворах для сухих условий эксплуатации, кладочных растворах для бытовых печей, своеобразных бетонах с армирующим наполнителем из соломы, тростника, прутьев. В современном индустриальном строительстве глину применяют как пластифицирующую добавку в цементные штукатурные и кладочные растворы.

Гидравлические вяжущие твердеют и сохраняют прочность как на воздухе, так и в воде. Для эффективного протекания процесса твердения необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно была вода. Иначе течение химических реакций, благодаря которым материал становится прочнее, приостанавливается. Эту группу образуют гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гипсоцементно-пуццолановое вяжущее и др. Число разновидностей гидравлических вяжущих непрерывно растет в результате использования новых видов сырья и применения современных способов производства.

В отдельную группу выделяют вяжущие вещества автоклавного твердения, быстро набирающие прочность только в автоклаве в среде насыщенного водяного пара при температуре 175...200°С и давлении 0,8... 1,5 МПа. В группу вяжущих автоклавного твердения входят известково-кремнеземистые и известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент. Хотя по существу эти вяжущие являются гидравлическими.

Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы, главным образом осадочного происхождения, и некоторые массовые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и других отраслей промышленности.

В наибольших объемах используются карбонатные (известняк, мел, доломит, мергель, магнезит), сульфатные (гипс, ангидрит), кремнеземистые (диатомит, трепел, опока), глинистые и высокоглиноземистые (бокситы) горные породы.

Кислотоупорный цемент изготовляют из тонкоизмельченных смесей кислотоупорного наполнителя (кварца, кварцита, диабаза, андезита и т. п.) и ускорителя твердения — кремнефтористого натрия. Название «цемент» для таких порошков имеет условный характер, так как они вяжущими свойствами не обладают и при за-творении водой не твердеют. Вяжущим веществом в таких цементах является растворимое стекло, на водном растворе которого их и затворяют. Чаще всего применяют кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, в котором наполнителем является чистый тонкомолотый кварцевый песок.
Основное достоинство и принципиальное отличие кислотоупорного цемента от других неорганических вяжущих веществ — его способность сопротивляться действию большинства минеральных и органических кислот (кроме фтористоводородной, кремнефтористоводородной и фосфорной).
Схватываются кислотоупорные цементы в пределах 0,3...8 ч. Предел прочности при растяжении через 28 сут должен быть не менее 2,0 МПа, а кислотостойкость — не менее 93 %. Предел прочности при сжатии стандартом не нормируется, но можно получить бетоны с прочностью при сжатии 30...40МПа и более.
Кислотоупорный цемент применяют для приготовления кислотоупорных замазок, растворов и бетонов. Нельзя использовать кислотоупорный цемент для конструкций, подверженных длительному воздействию воды, пара и щелочей, а также в условиях низких температур (ниже —20 °С).

Гипсовым вяжущим называют воздушное вяжущее вещество состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемо путем тепловой обработки гипсового камня при температур 150...160°С. При этом двуводный гипс CaSO₄-2H₂0, содержащийся в гипсовом камне, дегидратирует.

Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса CaSO₄-2H₂O до температуры 150...160°С с частичной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный гипс CaSO₄-5H₂O.

Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре до 700... 1000°С с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция — ангидрита CaSO₄. К низкообжиговым относится строительный, формовочный и высокопрочный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и эстрихгипс.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и природный ангидрид CaSCu, а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс. Возможно применение гипсосодержащего природного сырья в виде сажи и глиногипса.

Гипсовые вяжущие применяют для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочныхплит и панелей, архитектурных, звукопоглощающих и других изделий, а также строительных растворов для внутренних частей зданий.

Строительную известь получают путем обжига (до удаления углекислоты) из кальциево-магниевых горных пород — мела, известняка, доломитизироваиных и мергелистых известняков, доломитов.

Для производства тонкодисперсной строительной извести гасят водой или размалывают негашеную известь, вводя при этом минеральные добавки в виде гранулированных доменных шлаков, активные минеральные добавки или кварцевые пески. Строительную известь применяют для приготовления строительных растворов и бетонов, вяжущих материалов и в производстве искусственных камней, блоков и строительных деталей

В зависимости от условий твердения различают строительную известь воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и гидравлическую, обеспечивающую твердение растворов и бетонов и сохранение ими прочности как на воздухе так и в воде. Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного оксида бывает кальциевая, магнезиальная и доломитовая. Воздушную известь подразделяют на негашеную и гидратную (гашеную), получаемую гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой извести.

1. 29 Твердение гипсовых, воздушных вяжущих и вяжущих, полученных на их основе..

Разновидностями магнезиальных вяжущих веществ являются каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магнезита MgCO₃ в шахтных или вращающихся печах при 650... 850°С. В результате MgCO₃ разлагается. Оставшееся твердое вещество (окись магния) измельчают в тонкий порошок.

Каустический доломит MgO и СаСО₃ получают путем обжига природного доломита CaCO₃*MgCO₃ с последующим измельчением его в тонкий порошок. При обжиге доломита СаСО₃ не разлагается и остается инертным как балласт, что снижает вяжущую активность каустического доломита по сравнению с каустическим магнезитом.

Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния. Магнезиальные вяжущие, затворенные на растворе хлористого магния, дают большую прочность, чем на растворе сернокислого магния. Магнезиальные вяжущие, являясь воздушными, слабо сопротивляются действию воды. Их можно использовать только при затвердении на воздухе с относительной влажностью не более 60%. Каустический магнезит легко поглощает влагу и углекислоту из воздуха, в результате чего образуются гидрат оксида магния и углекислый магний. В связи с этим каустический магнезит хранят в плотной герметической таре. На основе магнезиальных вяжущих в прошлом времени изготовляли ксилолит (смесь вяжущего с опилками), используемый для устройства полов, а также фибролит и другие теплоизоляционные материалы. В настоящее время применение магнезиальных вяжущих резко сократилось.

Кислотоупорные цементы состоят из смеси водного раствора силиката натрия (растворимого стекла), кислотоупорного наполнителя и добавки — ускорителя твердения. В качестве микронаполнителя используют кварц, кварциты, андезит, диабаз и другие кислотоупорные материалы; ускорителем твердения служит кремнефтористый натрий. Вяжущим материалом в кислотоупорном цементе является растворимое стекло — водный раствор силиката натрия или силиката калия. Величина указывает на отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочного оксида и называется модулем стекла, он колеблется от 2,5 до 3,5.

Добавка кремнефтористого натрия также повышает водостойкость и кислотоупорность цемента. Отечественная промышленность выпускает кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент, состоящий из смеси тонкомолотого чистого кварцевого песка 15...30% и кремнефтористого натрия — 4...6% от массы наполнителя.

Кислотоупорные цементы применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения башен, резервуаров и других сооружений химической промышленности, а также для приготовления кислотоупорных замазок, растворов и бетонов.

Как указывалось ранее, для приготовления кислотоупорного цемента применяют растворимое стекло. Растворимое стекло получают при сплавлении в течение 7... 10 ч в стекловарочных печах при 1300... 1400°С кварцевого песка, измельченного и тщательно смешанного с кальцинированной содой, сульфатом натрия или с поташом К₂СО₃. Полученная стекломасса поступает из печи в вагонетки, где быстро охлаждается и распадается на куски. Застывшие куски называют «силикат-глыба». Это стекло растворимо в воде при обычных условиях, но при действии пара высокого давления 0,5...0,6 МПа и температуре около 150°С сравнительно быстро переходит в жидкое состояние.

Твердеет растворимое стекло (довольно медленно) только на воздухе вследствие выделения и высыхания аморфного кремнезема под действием углекислоты воздуха по реакции Na₂SiO₃ + СO₂ + 2Н₂O -> Si(ОН)₄ + Na₂CO₃

Кислотоупорный цемент не водостоек; разрушается от воздействия воды и слабых кислот. Для повышения водостойкости в состав цемента вводят 0,5% льняного масла или 2% гидрофобизующей добавки. Полученный таким образом гидрофобизованный цемент называют кислотоупорным водостойким цементом (КВЦ).

Для повышения кислотостойкости кислотоупорных бетонов рекомендуется обрабатывать их поверхность разбавленной соляной или серной кислотой, раствором хлористого кальция или хлористого магния.

Гидравлическая известь — продукт умеренного обжига при температуре 900...1100°С мергелистых известняков, содержащих 6...20% глинистых примесей. При обжиге мергелистых известняков после разложения углекислого кальция часть образующейся СаО соединяется в твердом состоянии с оксидами SiO₂; Аl₂О₃; Fe₂O₃, содержащимися в минералах глины, образуя силикаты 2CaO-SiO₂, алюминаты СаО-Аl₂O₃ и ферриты кальция 2CaO-Fe₂O₃, обладающие способностью твердеть не только на воздухе, но и в воде. Так как в гидравлической извести содержится в значительном количестве свободный оксид кальция СаО, то она, так же как и воздушная известь, гасится при действии воды, причем чем больше содержание свободной СаО, тем меньше ее способность к гидравлическому твердению.

Строительную гидравлическую известь выпускают в виде тонкоизмельченного порошка, при просеивании которого остаток частиц на сите № 008 не должен превышать 15%. Кроме глинистых и песчаных примесей мергелистые известняки обычно содержат до 2...5% углекислого магния и другие примеси. Для производства гидравлической извести необходимо применять известняки с возможно более равномерным распределением глинистых и других включателей, так как от этого в значительной степени зависит качество получаемого продукта.

Для характеристики химического состава сырья, содержащего известняк и глину, а также готового вяжущего вещества обычно пользуются гидравлическим или основным модулем.

Различают гидравлическую известь двух видов: слабогидравлическую с модулем 4,5...9 и сильногидравлическую с модулем 1,7...4,5.

Гидравлическая известь, затворенная водой, после предварительного твердения на воздухе продолжает твердеть и в воде, при этом физико-химические процессы воздушного твердения сочетаются с гидравлическими. Гидрат оксида кальция при испарении влаги постепенно кристаллизуется, а под действием углекислого газа подвергается карбонизации. Гидравлическое твердение извести происходит в результате гидратации силикатов, алюминатов и ферритов кальция так же, как в портландцементе. Предел прочности образцов через 28 сут твердения должен быть не менее: для слабогидравлической и сильногидравлической соответственно при изгибе — 0,4 и 1,0 МПа и при сжатии — 1,7 и 0,5 МПа.

Гидравлическая известь по химическому составу должна соответствовать требованиям, указанным. Она должна выдерживать испытание на равномерность изменения объема. Гидравлическую известь применяют в тонкоизмельченном виде для приготовления строительных растворов, предназначенных для сухой или влажной среды, бетонов низких марок и т. д. Гидравлическая известь дает менее пластичные, чем воздушная, растворы, быстрее и равномернее твердеющие по всей толще стены и обладающие большей прочностью.

Романцемент - гидравлический вяжущий материал. Получают посредством тонкого помола известковых и магнезиальныхмергелей, обожженных при температуре 850-900°C. Может содержать гипс и различные добавки.

Выпускается трех марок: 2,5; 5 и 10.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее 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 зерен 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 SO₃, а в цементах высокомарочных и быстротвердеющих — не менее 1,5% и не более 4,0%. Портландцемент выпускают без добавок или с активными минеральными добавками.

Для производства портландцементного клинкера применяют известняк и глину.

Алит — основной минерал клинкера, быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания прочности портландцемента. Он представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2...4%) других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства портландцемента.

Белит — второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера, медленно твердеет и достигает высокой прочности при длительном твердении. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор двухкальциевого силиката и небольшого количества (1...3%) др. примесей. В связи с тем что белит при медленном охлаждении клинкера теряет вяжущие свойства, это явление предотвращается быстрым охлаждением клинкера.

Сырье для производства портландцемента должно содержать 75...78% СаСО₃ и 22...25% глинистого вещества. Горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко. Поэтому для производства портландцемента наряду с известняком и глиной следует применять так называемые корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси. Так, недостаточное количество компенсируется введением высококремнеземистых веществ (опоки, диатомита, трепела). Увеличить содержание оксидов железа можно путем введения колчеданных огарков или руды. Повышение содержания глинозема достигается добавлением высокоглиноземистых глин.

Кроме того, цементная промышленность все шире начинает использовать побочные продукты, например отходы разных отраслей промышленности — доменные шлаки, нефелиновый шлам (отход при производстве глинозема) и др. В них содержится 25-30% SiO₂; 50...58% СаО; 2...5% Аl₂O₃; 3...8% других оксидов. Если к сырью такого состава добавить 15...20% известняка, то состав смеси получается аналогичный используемому для получения портландцемента.

Использование в цементной промышленности побочных продуктов и отходов других отраслей — крупный шаг в разработке безотходной технологии, способствующей охране окружающей среды.

Технологический процесс производства портландцемента 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.

В зависимости от 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. В последнее время все шире начинает применяться комбинированный способ приготовления сырьевой смеси, по которому сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы, которые обжигают по сухому способу.

В рыхлом состоянии цемент имеет объемный вес 900–1000кг/м³, в уплотненном — 1400–1700кг/м³. На скорость твердения и схватывания и на прочность затвердевшего раствора влияет тонкость помола цемента, чем тоньше цементный клинкер, тем быстрее и полнее происходит взаимодействие цемента с водой и тем выше будет его прочность. Точной характеристикой тонкости помола служит его удельная поверхность, т.е. суммарная поверхность зерен, содержащихся в 1 г цемента. Удельная поверхность заводских цементов составляет 2800–3000см³/г и выше.

Начало и конец схватывания цементного теста определяют его сроки схватывания. Кроме тонкости помола на сроки схватывания большое влияние оказывает минералогический состав и водопотребность цемента. Водопотребность, это количество воды, необходимое не только для гидратации цемента, но и для придания тесту определенной подвижности. Для процесса гидратации необходимо около 15% воды от веса цемента. Что бы обеспечить подвижность цементного теста, воды берется намного больше.

В цементном камне, бетоне или растворе при испарении лишней воды образуются поры и возникают усадочные деформации, появляются мелкие трещинки. Чем ниже водопотребность цемента, тем выше его качество. Начало схватывания цементного теста должно наступать не ранее 45 мин, а конец не позднее чем через 12 ч от начала затворения. Необходимо в эти сроки доставить и использовать бетонные смеси, иначе они могут потерять пластичность и удобоукладываемость.

После помола нормально обожженный клинкер как правило дает хороший продукт. Что бы получить цемент со стандартным сроком схватывания, при производстве помола клинкера добавляется определенное количество гипса. При повышении температуры сроки схватывания цемента ускоряются.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой, которую определяют по пределу прочности при изгибе образцов стандартного размера и сжатия их половинок. Такие образцы выполняются из цементного раствора состава 1:3 (по весу) с нормальным кварцевым песком и испытывают их через 28 суток после изготовления.

Твердение портландцемента представляет из себя сложный физико-химический процесс, в результате которого в цементном камне образуются новые соединения, отсутствовавшие в цементном клинкере.

Твердение портландцемента происходит тем быстрее, чем больше в нем трехкальциевого силиката (алита) трехкальциевого алюмината, в дальнейшем прирост прочности такого цемента замедляется. Цементы, в состав которого входит большое количество двухкальциевого силиката (белита), в раннем возрасте твердеют медленно, а потом нарастание продолжается равномерно и длительно.

Рассматривая под микроскопом цементный камень, можно заметить его неоднородную систему. Кристаллические образования и гелеобразные массы с тонко распределенными частицами воды и воздуха переходят в микрокристаллические агрегаты, образующие не затронутые водой внутренние слои цементных зерен.

Твердея на воздухе за счет испарения воды, происходит усадка, а при твердении в воде идет обратный процесс — набухание. При этом особенно опасны неравномерные изменения объема, что может наблюдаться при твердении цементов, имеющих повышенное количество непогасившихся зерен СаО и MgO. В затвердевшем цементном камне, растворе или бетоне происходит их гашение, сопровождающееся увеличением объема, появлением внутренних напряжений и трещин. При схватывании и твердении портландцемента происходит выделение тепла.

В бетонах и растворах под действием агрессивной среды, создаваемой различными жидкостями и газами происходит коррозия портландцемента. Существуют три основные вида коррозии. К первому виду относятся процессы, возникающие при воздействии пресной воды. Соприкасаясь с цементным камнем, пресные воды растворят и вымывают выделяющуюся при твердении портландцемента известь Са(ОН)2, которая больше растворяется в воде в сравнении с другими процессами гидратации. Удаляющаяся из цементного камня гидроокись кальция разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становятся более пористыми и постепенно разрушаются. Этот процесс особенно быстро происходит при фильтрации воды сквозь толщу бетона. Чтобы повысить стойкость цемента в пресных водах, к нему добавляют активные минеральные добавки, связывающие известь в малорастворимые соединения — гидроокислы кальция.

Вторым видом коррозии являются процессы, происходящие под действием вод, содержащих химические элементы вод, и вступившие в обменные реакции с составными частями цементного камня. Образующиеся при этом продукты реакции или легко растворимы и уносятся водой, или выделяются в аморфном виде, не обладая при этом прочностью.

Более часто можно наблюдать коррозию бетона под действием углекислых вод, так как углекислота содержится во многих природных водах. Взаимодействуя с углекислым кальцием, образующим карбонатный слой на поверхности цементного камня, эта кислота переводит его в более растворимый в воде бикарбонат.

Вредное влияние на цементный камень оказывает также соляная кислота, которая содержится в сточных водах промышленных предприятий и, просачиваясь в почву, разрушает подземные бетонные конструкции. Эта кислота вступает в реакцию с выделяющейся при твердении цемента известью и образует легкорастворимый хлористый кальций.

К третьему виду коррозии относятся процессы, связанные с образованием малорастворимых продуктов, которые постепенно накапливаются в капилярах, порах и других пустотах цементного камня.

· 35

· 36

· 37