НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Неорганическими вяжущими веществами называются порошко­образные минеральные материалы, которые при смешивании с водой или водными растворами некоторых солей образуют пласти­ческую массу (тесто), способную со временем твердеть до камневидного состояния. Большую группу неорганических вяжущих веществ составляют воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества способны в тестообразном состо­янии твердеть и длительно сохранять свою прочность только на воз­духе, вне контакта с водой. Их используют в условиях, не подверга­ющихся воздействию водной среды. К таким вяжущим веществам относятся: строительная воздушная известь, гашеная (пушонка) и молотая негашеная (кипелка) известь, гипсовые и магнезиальные ве­щества, а также растворимое или жидкое стекло, которое, как исключение из общего числа вяжущих, не относится к порошкообраз­ным материалам.

Гидравлические вяжущие вещества способны в тестообразном состоянии твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде, увеличивая с течением времени проч­ность отвердевшего теста (камня). Поэтому, в отличие от воздуш­ных,- они могут применяться в наземных, подземных, гидротехниче­ских и других сооружениях, подверженных воздействию водной среды. К таким вяжущим относятся портландцемент, глиноземи­стый цемент, пуццолановые и шлаковые смешанные цементы, ряд специальных цементов, а также гидравлическая известь. К ним при­мыкают еще и вяжущие вещества автоклавного твердения.

Производство неорганических вяжущих веществ основано на хи­мической переработке сырья. Основной сырьевой базой служат гор­ные породы и сходные с ними по составу побочные продукты про­мышленности. Из горных пород используют: карбонатные известняк, мел, известковые туфы, ракушечник, мрамор, доломиты, доломитизированные известняки, магнезит; сульфатные — гипс и ангидрит; мергелистые — известняковые мергели; алюмосиликатные — нефелин, глины, глинистые сланцы; высокоглиноземистое сырье — бокситы, корунды и др.; кремнеземистые — вулканический пепел (пуццолан), трассы, диатомит, трепел, опоку, кварцевый пе­сок. Из побочных продуктов в качестве сырья применяют в цемент­ной промышленности шлаки металлургические, особенно первич­ных процессов доменного производства, а также передельных процессов (мартеновские); шлаки цветной металлургии, топливные и др.; золы, обычно кислые. При использовании побочных продук­тов учитывают их химический состав, так как по составу они по­дразделяются на основные и кислые. У основных шлаков модуль основности M₀ > 1, у кислых — M₀ < 1:

(9.1)

где в числителе — суммарное количество (в процентах по массе) основных оксидов; в знаменателе—то же, но в отношении кислых ок­сидов (иногда сюда же прибавляют еще оксид железа Fe₂O₃). Необхо­димые количественные данные получают путем выполнения химического анализа сырья.

Побочные (попутные) продукты оцениваются также по модулю активности: Однако исследования и практика показали на отсутствие закономерности между величинами указанных двух модулей и реальными свойствами материалов [12]. Поэтому изыски­вались иные модули — Тетмайера, Ле-Шателье, Кюля, Юнга, Кинда и др. Исследования показали несомненную полезность коэффициента основности, предложенного П.И. Боженовым и приведенного выше. По мере роста M₀ > 1 вяжущие свойства металлургических шлаков заметно повышались.

Сырье бывает одно- и многокомпонентным. При многокомпо­нентном сырье более однородной смесь получается при увеличении степени дисперсности ее компонентов раздельным или одновремен­ным доизмельчением; при этом возрастает и общая (химическая и энергетическая) активность продукта домола, тем более, если в до-измельчаемую смесь были дополнительно внесены еще необходи­мые ингредиенты.

Принципиальная схема технологии изготовления минеральных вяжущих веществ состоит из следующих основных операций: подго­товка исходных компонентов сырья; дозирование; придание сырью удобообжигаемого состояния с учетом конструкции печи и других производственных факторов; обжиг; помол продукта обжига — в смеси с добавками или без добавок. Центральное место в техноло­гии занимает обжиг, при котором сырье теряет свободную воду, де­гидратируется, термически диссоциирует. Обжиг осуществляется в печах или специальных аппаратах (например, при варке гипса, растворимого стекла). Наиболее распространенными являются вра­щающиеся печи, особенно при производстве портландцемента, гли­ноземистого цемента, извести и некоторых других вяжущих мате­риалов.

При определенных термических режимах сырье или сырьевая смесь претерпевает изменения в химическом составе и структуре. При повышенных температурах происходят реакции в твердом со­стоянии. Атомы или атомные группы в кристаллической решетке нагреваемого вещества начинают колебаться в такой степени, что молекулы получают избыточную энергию (энергию активации). Часть активных молекул может сталкиваться и обмениваться места­ми с атомами и молекулами другого реагирующего вещества, обра­зуя новые соединения. Эти реакции в твердой фазе за счет энергии активации особенно характерны при получении воздушной и гид­равлической извести, а также роман-цемента, так как температура обжига сырья не доводится до уровня спекания с появлением жид­кой фазы. Как отмечалось в теоретической части (см. гл. 2), боль­шей реакционной способностью обладают аморфные вещества, на­пример, трепел активнее кварцевого песка при одном и том же их химическом составе. При температурах спекания, когда обжигается сырье для получения портландцементного клинкера, образуется жидкая фаза, которая ускоряет химические реакции между тверды­ми веществами, начинающиеся значительно раньше этой температу­ры. Продукт обжига приобретает новое качество, отличное от каче­ства сырья или его компонентов. Оно выражается в появлении вяжущих свойств у продукта обжига после затворения его водой или, реже, водным раствором некоторых солей. Чтобы полнее и бы­стрее проявилась потенциальная вяжущая способность продукта об­жига, необходимо всемерно увеличивать поверхность контакта на границе раздела фаз «твердое — жидкое». Это достигается путем тонкого измельчения (помола) продукта обжига. Чем выше степень дисперсности порошкообразного продукта, больше его удельная поверхность, тем полнее и быстрее, при прочих соответственных условиях, проявляется потенциальная энергия. Для изменения неко­торых качественных характеристик вяжущего вещества нередко при помоле вводят добавки, например гипс в портландцемент, известь в ангидритовый цемент и т. п.

Приготовление вяжущих веществ часто связано с использовани­ем наполнителя — тонкоизмельченных кварцевого песка, известня­ка, доломита, андезита, диабаза, базальта, некоторых шлаков. В виде активных (гидравлических) минеральных добавок использу­ют либо природные породы — диатомит, трепел, опоку, трасс и другие, либо искусственные — нефелиновый шлам, цемянку, глиеж (горелые породы), золы или шлаки. В минеральные вяжущие веще­ства нередко вводят поверхностно-активные добавки: гидрофиль­ные — сульфитно-спиртовая барда (ССБ), сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и гидрофобные — мылонафт, асидол, омыленный пек, олеиновая кислота и др. Производство вяжущих веществ не об­ходится иногда и без применения в них ускорителей или замедлите­лей твердения. В качестве ускорителей (катализаторов) используют хлористый кальций, хлористый натрий, соляную кислоту, жидкое стекло, нитрит натрия и др., а в качестве замедлителей твердения (ингибиторов) — двуводный гипс, серную кислоту, сернокислое же­лезо, клеи, ССБ и СДБ (соли лигносульфоновых кислот) и др. Для улучшения формовочных свойств могут вводиться пластификато­ры — порошкообразные вроде глины, бентонита, трепела, диатоми­та, извести (оксида кальция) и др. или в виде жидкости типа ПАВ. В качестве интенсифицирующих добавок при помоле вяжущего ве­щества применяют антрацит и другие углеродистые добавки.

Направление химических и физико-химических процессов при производстве вяжущих веществ зависит от многих факторов и, в первую очередь, от состава сырья, однородности его компонентов, характера и количества примесей, структурных и текстурных осо­бенностей применяемых горных пород в качестве компонентов сы­рья, технологического и термического режимов. Ввиду многообра­зия этих факторов трудно выдержать строго постоянным состав и свойства готового продукта — вяжущего вещества. Активным кор­ректированием состава сырьевой смеси с введением некоторых до­полнительных ингредиентов, а также варьирования режимов при выполнении операций представляется возможным увеличивать од­нородность состава и качества вяжущего материала. Понятно, что приготовление вяжущих веществ всегда усложняется по мере пере­хода от однокомпонентного сырья к сырьевым смесям, состоящим из двух и более компонентов. Впрочем, понятие однокомпонентности тоже достаточно условно вследствие возможных примесей в природном сырье.

Принципиальная схема технологии вяжущих веществ нуждается в конкретизации специфических особенностей при изготовлении от­дельных типов вяжущих материалов.