Будівельні матеріали

Розкладання доломітів  в інтервалі температур 700…900 ^оС проходить у два етапи:

MgCO₃· СаCO₃ = СаCO₃ + MgО + СО₂.

СаCO₃ = СаО + СО₂.

Магнезіальні в’яжучі  речовини змішують водним розчином хлориду  магнію MgCl₂·6H₂O або інших магнезіальних солей. Це сприяє прискоренню твердіння та підвищенню міцності в’яжучих, оскільки поряд із гідратацією оксиду магнію та утворенням бруситу Mg(ОН)₂, відбувається процес синтезу гідро хлориду магнію MgCl₂·3 Mg(ОН)₂·7Н₂О, який кристалізується у вигляді волокон і підвищує міцність матеріалу на згині.

Магнезіальні в’яжучі  речовини характеризуються високою  міцністю при стиску, що досягає 60…100 МПа, високою адгезією до заповнювачів.

Магнезіальний цемент найчастіше використовують разом з органічними заповнювачами. Такі вироби відрізняються підвищеною ударною в’язкістю, добре обробляються, є жаростійкими, мають звукоізоляційні властивості. Типовими прикладами таких матеріалів є ксилоліт (заповнювач – деревна тирса) і фіброліт (заповнювач – довговолокниста деревна маса).

На основі магнезіальних  в’яжучих речовин виготовляють теплоізоляційні  піно- і газоматеріали. Ці в’яжучі  речовини можна застосовувати при  проведенні штукатурних робіт, використовуючи як заповнювач кварцовий пісок.

 

 

5.4. Гідравлічні  в’яжучі речовини

Гідравлічне вапно  – це продукт, отриманий випалюванням мергелястих вапняків, що містять від 6 до 20 % глинистих або високодисперсних піщаних домішок.

Основними операціями при  виробництві гідравлічного вапна  є добування сировини, її подрібнення, випалювання і помел. Процес випалювання здійснюють у шахтних або обертових печах при температурі від 900 до 1150, а іноді 1200 ^оС.

Під час випалювання, паралельно з процесами зневоднення  глинистих мінералів і розкладання карбонатів кальцію і магнію, утворюються не лише вільні оксиди СаО і MgО, а й їхні сполуки з SiO₂ та де гідратованою глиною у вигляді кальцієвих силікатів, алюмінатів і феритів, які надають вапну гідравлічних властивостей.

Гідравлічне вапно перші  сім діб має тверднути на повітрі, а далі може тверднути й набувати міцності як на повітрі, так і у воді.

Технічні характеристики гідравлічного вапна.

Істинна щільність становить 2,6…3,0 г/см³, а насипна – 700…800 кг/м³.

Водопотреба та водоутримувальна здатність гідравлічного вапна  нижчі, ніж повітряного. Строки тужавлення гідравлічного вапна залежить від вмісту вільного СаО.

За вимогами ДСТУ Б  В. 2.7-90-99 вапно вважається слабко гідравлічним, якщо межа міцності при стиску на 28 добу твердіння становить 1,7; при згині – 0,4 МПа; сильногідравлічним, якщо межа міцності при стиску та згині на 28 добу твердіння становить 5, та 1,0 МПа відповідно.

Слабкогідравлічне вапно тужавіє швидше, а твердне повільніше, ніж  сильно гідравлічне. Початок тужавлення складає 0,5…2,0 год, а закінчення – 8…16 год. Штучний камінь на основі гідравлічного вапна не визначається високою міцністю. Після 28 діб комбінованого зберігання міцність при стиску зразків із вапняно-піщаного розчину (складу 1:3 за масою) становить 2…5 МПа.

Гідравлічне вапно застосовують для приготування будівельних розчинів підвищеної водостійкості, мурувальних і штукатурних розчинів, для виробництва вапняно-пуцоланових цементів, легких і важких бетонів низьких класів, для виготовлення стінового каміння, призначеного для експлуатації в умовах різної вологості, для стабілізації ґрунтів при будівництві шляхів із малою інтенсивністю руху. Ця речовина входить до складу сухих будівельних сумішей і широко використовується для виготовлення шпаклівок, замазок і фарб. Гідравлічне вапно можна застосовувати як основу під фресковий живопис, тобто при нанесенні малюнків розбавленими у воді мінеральними фарбами на свіжу штукатурку.

Романцемент найчастіше розглядають як один з етапів у розвитку технології отримання гідравлічних в’яжучих речовин, подібних до портландцементу. Його виготовляють випалюванням не до спікання та наступним помелом вапнякових або магнезіальних мергелів, які містять понад 25 % глинистих домішок. Для регулювання властивостей у романцемент можна вводити до 5 % гіпсу і до 15 % активних мінеральних добавок.

Портландцемент – гідравлічна в’яжуча речовина, яку виготовляють спільним тонким подрібненням клінкеру з гіпсом або іншими добавками.

Перший патент на спосіб виробництва штучного каменю під  назвою портландський цемент був отриманий у 1824 р. Джозефом Аспдіном. У практиці світового будівництва портландцемент є головним матеріалом для виробництва бетону, залізобетону й будівельних розчинів.

Портландцементний клінкер отримують випалюванням до спікання (при температурі приблизно 1450 ^оС) сировинної суміші певного складу, що забезпечує синтез переважно високоосновних силікатів кальцію. Гіпс до складу портландцементу вводять для регулювання строків тужавлення і підвищення міцності.

Сировиною для виготовлення портландцементного клінкеру можуть бути карбонатні породи (приблизно 75 %) в суміші з алюмосилікатними речовинами (25 %). Як карбонатні породи використовують вапняки, крейду, вапняки-черепашники, вапнякові туфи, а як алюмосилікатний компонент – глини, але при відповідному економічному обґрунтуванні можна застосовувати суглинки, леси, аргіліти й глинисті сланці. Як сировину використовують природні суміші вапняків з глинами – мергелі.

До найпоширеніших побічних продуктів, придатних для виробництва  портландцементного клінкеру, відносять  доменні гранульовані шлаки, які завдяки хімічному складу (SiO₂ – 38…40%, CaO – 43…44%, Al₂O₃ – 5…14 %) іноді використовують замість частини глинистого або карбонатного компонентів.

З метою коригування  складу шихти також застосовують електротермофосфорні шлаки, паливні  золи, відходи вуглезбагачення та різні шлами, в тому числі нефеліновий (пелітовий), монокальцієвий і червоний.

5.5.  Технологія  виробництва цементу

Виробництво цементу здійснюється сухим, мокрим  та комбінованим способами.

Процес приготування сировинної суміші для отримання портландцементного клінкеру включає: подрібнення (крупне й тонке), дозування, змішування сировинних компонентів, коригування хімічного складу отриманої суміші, її гомогенізацію і випалювання.

Сухий спосіб виробництва полягає у подрібненні й ретельному перемішуванні сухих або попередньо висушених сировинних матеріалів. Використання цього способу є доцільним при застосуванні однорідних за складом і структурою вапняку й глини вологістю від 10 до 15 %.

Мокрий спосіб виробництва доцільно застосовувати, якщо м’яка сировина (крейда, глина) має значну вологість. Вихідні компоненти подрібнюють і змішують з великою кількістю води (36…42 % від маси сухої речовини) до утворення рідкотекучої маси у вигляді суспензії (шламу). Мокрий спосіб дає змогу знизити енергоємність процесу подрібнення, полегшити транспортування і перемішування сировинної суміші, проте витрати палива на її випалювання в печі в 1,5…2 рази більші, ніж при сухому способі.

 Комбінований спосіб передбачає підготовку сировинної суміші з отриманням шламу, який потім зневоднюють до вологості 16…18% і переробляють на гранули.

Після випалювання в  обертових або шахтних печах  клінкер інтенсивно охолоджується  у барабанних рекуператорах та холодильниках (до температури 100…200 ^оС), щоб попередити утворення крупних кристалів.

З холодильників клінкер  надходить на склад, де його витримують протягом 1…2 тижнів для стабілізації властивостей.

Помел клінкеру здійснюють у трубних (кульових)  млинах. Під час помелу до клінкеру додають двоводний гіпс (до 3,5% за масою) для сповільнення тужавіння портландцементу.

5.6. Хіміко-мінералогічний  склад портландцементного клінкеру

Хімічний склад клінкеру представлений чотирма основними  оксидами, мас. %: СаО – 63…67; SiO₂ - 20…24; Al₂O₃ – 4…9; Fe₂O₃ – 2…4. Їхній загальний вміст становить 95…97 %; у невеликій кількості в клінкері містяться також MgO, SO₃ , Na₂O, K₂O, TiO₂ та ін.

Наявність у складі клінкеру СаО обумовлює високу міцність і швидке твердіння цементу.

SiO₂ зв’язує  СаО в силікати, здатні до гідравлічного твердіння.

Підвищення у складі клінкеру оксиду алюмінію Al₂O₃ зумовлює швидке тужавіння і прискорене твердіння цементу, але негативно впливає на сульфато- й морозостійкість.

У процесі випалювання  сировинної суміші до спікання утворюються чотири основні мінерали цементного клінкеру: три кальцієвий силікат 3СаО. SiO₂ - аліт; двокальцієвий силікат 2СаО. SiO₂ - бєліт; трикальцієвий алюмінат 3СаО. Al₂O₃ ;  чотирикальцієвий алюмофірит 4СаО. Al₂O₃ .Fe₂O₃ . Скорочений умовний запис цих мінералів відповідно такий: С₃S, С₂S, С₃A, С₄AF.

Завдання до самостійної роботи

1. Розглянути значення  кожного мінералу клінкеру цементу  для отримання цементів заданих  властивостей.

Лекція 6

 

МІНЕРАЛИ Й ВИРОБИ НА ОРГАНІЧНІЙ ОСНОВІ

БІТУМНІ Й ДЬОГТЕВІ В´ЯЖУЧІ РЕЧОВИНИ ТА МАТЕРІАЛИ НА ЇХ ОСНОВІ

 

6.1. Особливості утворення в’яжучих  речовин органічного походження та їхня класифікація

Органічні в’яжучі речовини –це природні або штучні тверді, в’язко-пластичні й рідкі матеріали, що складаються із хімічних сполук, молекули яких містять карбону. Органічні в’яжучі речовини можна розглядати як дисперсні системи, представлені сумішшю різних сполук, в тому числі метанових C_nH_2n+2, нафтенових C_nH_2n, ароматичних C_nH_2n-6, та гетероциклічних, а також високомолекулярними вуглеводнями й неметалевими похідними.

Органічні в’яжучі є  гідрофобними й горючими матеріалами, більшість з яких здатні розчинятися в органічних розчинниках (бензолі, толуолі, гасі, лігроїні), а деякі тільки набухати в них. Вони характеризуються достатньою адгезією до більшості матеріалів.

Сировиною для виробництва органічних в’яжучих речовин є продукти органічного походження, в тому числі нафта, кам’яне вугілля, горючі сланці, торф. Ця сировина підлягає хімічній переробці, в результаті чого, крім таких цінних продуктів, як бітум, дьоготь, одержують також смолоподібні залишки, з яких шляхом додаткової переробки отримують цілий ряд речовин, що за своїми властивостями можуть бути класифіковані як органічні в’яжучі матеріали.

Залежно від властивостей, хімічного складу, виду сировини та технологічного процесу органічні в’яжучі речовини поділяють на:

бітумні (природні, нафтові, сланцеві) речовини, що складаються із вуглеводнів метанового, нафтенового й ароматичного рядів, а також їхніх кисневих, сірчаних і азотних похідних;

дьогтьеві (кам’яновугільні, торф’яні, деревні) речовини, які складаються із суміші ароматичних вуглеводнів та їхніх кисневих, азотних або сірчаних похідних;

бітумнополімерні, що складаються з нафтових бітумів та полімерів;

гумобітумні, одержані спільною переробкою нафтових бітумів та старої гуми;

гумодьогтеві, одержані спільною переробкою старої гуми та дьогтепродуктів.

Бітумні та дьогтеві в’яжучі входять до групи органічних в’яжучих речовин, що складаються з високомолекулярних вуглеводнів та їх неметалевих похідних (сполук вуглеводнів із сульфуром, оксигеном, нітрогеном). Основними ознаками цих в’яжучих є розм’якшення (розрідження) їх при нагріванні й відновлення своєї початкової в’язкості при охолодженні.

6.2. Бітумні в’яжучі речовини

До бітумних в’яжучих матеріалів належать природні й штучні (нафтові) бітуми.

Природні бітуми –  це в’язкі рідини й твердоподібні речовини чорного чи темно-коричневого кольору, що утворилися внаслідок природного процесу окислювальної полімеризації нафти. Вони легко розчиняються в сірковуглеці, бензолі й хлороформі, гірше – у бензині. Найчастіше природні бітуми містяться у пісках, пісковиках, вапняках, доломітах і сланцях, в місцях нафтових родовищ, утворюючи лінзи, а іноді й цілі асфальтові озера. Бітумні породи використовують у вигляді тонкого порошку для одержання асфальтової мастики й асфальтових бетонів.

Нафтові (штучні) бітуми, одержують переробкою нафтової сировини. В Україні постачальниками нафтових бітумів є Кременчуцький, Одеський, Лисичанський і Дрогобицький нафтопереробні заводи.

Залежно від в’язкості нафтові бітуми поділяють на тверді, напівтверді й рідкі, а залежно від способу виробництва – на залишкові, окисненні й крекінгові. За призначенням бітуми бувають дорожніми, будівельними, покрівельними, гідроізоляційними.

Властивості бітумів визначаються їхньою природою, складом і технологією отримання. Для бітумів, на відміну від мінеральних в’яжучих речовин, характерні гідрофобність, атмосферостійкість, підвищена деформативність, здатність розм’якшуватися при нагріванні. Щільність бітумів коливається в межах від 800 до 1300 кг/м³.

Основними якісними показниками  бітумів є в’язкість (твердість), деформативність і теплостійкість. Позначення марки бітуму складається з літер, які пов’язані з його призначенням, наприклад БНК 90/60 – означає бітум нафтовий покрівельний (кровельний) , і цифр, перша з яких відповідає температурі розм’якшення, а друга – пенетрацї.