|
Вяжущие вещества, применяемые для изготовления широкой номенклатуры искусственных строительных материалов,
имеющих в основном конгломератный тип структуры (ИСК), разделяются на следующие разновидности:
неорганические, или минеральные; органические; полимерные; комплексные (смешанные, компаундированные и
комбинированные).
Неорганические вяжущие
Неорганическими вяжущими веществами называются порошкообразные минеральные материалы, которые при
смешивании с водой или водными растворами некоторых солей образуют тесто (пластическую массу), способное
со временем отвердевать, превращаясь в камневидное тело.
Все неорганические вяжущие вещества являются продуктами обжига соответствующего минерального сырья, т. е.
они относятся к обжиговым строительным материалам. Однако ИСК, получаемые на их основе, относятся к
безобжиговым, так как процесс их отвердевания происходит в условиях обычных температур.
Эту группу вяжущих разделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные способны в тестообразном состоянии
твердеть и длительно сохранять свою прочность только на воздухе, поэтому они применяются в наземных
сооружениях, не подвергающихся воздействию воды. К ним относятся строительная воздушная известь,
гипсовые, магнезиальные вяжущие вещества и жидкое стекло. Гидравлические вяжущие вещества способны после
предварительного твердения на воздухе продолжать твердеть и в воде, увеличивая со временем свою прочность.
Они могут применяться в наземных, подземных, гидротехнических и других сооружениях, подвергающихся
воздействию воды. Среди них портландцемент, глиноземистый цемент, шлаковые и пуццолановые смешанные
цементы, ряд специальных цементов, а также гидравлическая известь. В отдельную группу нередко выделяют
вяжущие вещества, которые наиболее эффективно твердеют при автоклавной обработке с повышенным давлением
пара и при высокой температуре. К таким относят известково-кремнеземистые, известково-шлаковые,
известко-во-нефелиновые, песчанистые портландцементы и некоторые другие.
Неорганические вяжущие вещества появились примерно за 3 ... 4 тыс. лет до н.э. Тогда получали их путем обжига
гипсового камня, известняков и применяли при возведении сооружений. Для повышения водоустойчивости к
вяжущим веществам прибавляли тонкоизмельченные минеральные порошки, например вулканические
пеплы и пемзу.
В России первые руководства по изготовлению неорганических веществ появились в XVIII в. Они обобщали
опыт русских ученых с описанием способов получения строительного гипса и гидравлической извести. Так, В. М.
Севергин доказывал целесообразность использования известняков с глинистыми примесями, а также мергелистых
пород для получения водоустойчивых вяжущих веществ. В Петербургском институте путей сообщения в 1822 г. проф. Шарлевилем
были опубликованы научные исследования мергелистых пород для получения гидравлической извести и
цементов. Автор указывал, что при обжиге таких пород или смесей известняков и глин возникают химические
взаимодействия между составными частями. Принципиально новым явились основные положения технологии
производства гидравлического вяжущего, изложенные в работе Е. Г. Челиева, опубликованной в 1825 г. Он
рекомендовал температуру обжига сырьевой смеси из известняков и глин свыше 1100. В работе Челиева
содержатся основные элементы современной технологии цементов.
В физико-химические основы производства огромный вклад внесли труды Д. И. Менделеева, а также работы А. Р.
Шуляченко,. И. Г. Малюги, Н. Н. Лямина, Н. А. Белелюбского, В. Н. Черномского и других в конце XIX и начале XX в.
Сырьевой базой для производства неорганических вяжущих веществ являются горные породы и побочные продукты
промышленности. Среди горных пород для этих целей используют сульфатные — гипс и ангидрит; карбонатные —
известняк, мел, известковые туфы, ракушечник, мрамор, доломиты, доломитизированные известняки, магнезит;
мергелистые — известковые мергели; алюмосиликатные — нефелины, глины, глинистые сланцы;
высокоглиноземистое сырье — бокситы, корунды и др.; кремнеземистые горные породы — кварцевый
песок, трассы, вулканический пепел (пуццолана), диатомит, трепел, опока.
Среди побочных продуктов в цементной промышленности находят применение главным образом шлаки
металлургические и золы,
особенно шлаки первичных (доменные) и передельных (мартеновские) процессов, а также шлаки цветной
металлургии, топливные и др. По химическому составу они делятся на основные и кислые.
Часто вносят в сырье вещества в виде активных минеральных добавок, как природных, например диатомит, трепел,
опоку, трасс, пуццолану, пемзу, туф вулканический, так и искусственных — нефелиновый шлам, цемянку, глиеж
(горелые породы), золы, шлаки. Нередко для получения вяжущих используют наполнители — тонко-измельченные
кварцевый песок, известняк, доломит, андезит, диабаз, базальт, некоторые шлаки; поверхностно-активные добавки:
гидрофильные — ССБ (сульфитно-спиртовая барда) и СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка) и
гидрофобные — мылонафт, асидол, омыленный пек, олеиновая кислота и др.; ускорители
твердения — хлористый кальций и хлористый натрий, соляная кислота, жидкое стекло, нитрит натрия и др.;
замедлители твердения — двуводный гипс, серная кислота, сернокислое железо, клеи, ССБ и СДБ; пластификаторы
для улучшения формовочных свойств сырьевого материала— глина, бентонит, трепел, диатомит; интенсифицирующие
добавки (при помоле) —антрацит и др.
Сырье бывает одно- и многокомпонентным, составленным из нескольких исходных веществ. При многокомпонентном
сырье для лучшего перемешивания и получения более однородной смеси компоненты предварительно совместно или
по отдельности измельчают. После полного цикла подготовки сырья — дробления, помола, смачивания,
корректирования состава — смесь подвергается термической обработке, или обжигу.
При обжиге сырье теряет свободную воду, затем дегидратируется, отдавая химически связанную воду, и
диссоциирует, распадаясь на отдельные оксиды. При последующем повышении температуры происходят
реакции в твердом состоянии. Сырье изменяет свой химический состав, так как молекулы приходят в состояние с
повышенной кинетической энергией — увеличиваются амплитуды и частоты тепловых колебаний: атомы или
молекулы одного компонента как бы «отскакивают» со своей кристаллической решетки и присоединяются к атомам и
молекулам другого реагирующего компонента при их близком соприкасании.
При последующем повышении температур образуется жидкая фаза, которая ускоряет химические реакции в
расплаве. Сырьевая смесь превращается в продукт, наделенный новыми качественными характеристиками.
Но для проявления вяжущих свойств потребуется еще перемолоть продукт обжига. Чем выше тонкость помола,
чем больше удельная поверхность частиц вяжущего вещества, тем, следовательно, быстрее и полнее пройдут
процессы растворения, химического взаимодействия с водой, затворения и образования новых гидратных
соединений.
|
