Жидкое стекло: виды, состав, способы производства, твердение, применение в строительстве.
Жидкое стекло- водный раствор силиката натрия или силиката кальция.
Виды и состав:
Na2*nSiO2 n – модуль стекла (1,5-3,5)
K2O*nSiO2 n – модуль стекла (<4,5)
Способы производства:
-автоклавный
Силикат глыба идет в завальные ямы. Из ямы в дозатор, потом в сепаратор, потом на элеватор, потом на дозатор, потом в автоклав. В автоклав заливается вода (из отстойника). Закрывается крышка. Автоклав вращается и подается в него пар. Давление 8 атм. Силикат глыба растворяется с выделением тепла.
Часть влитой воды поднимает давление до 10атм. Растворение идет 1 час 30 мин. – 1 час 50 мин. Потом автоклав останавливают, подсоединяется сливная труба и открывают задвижку. Давление продавливает жидкое стекло в специальную емкость. Из нее берут пробу на плотность. Потом жидкое стекло идет в отстойники на 24 часа.
-безавтоклавный
Силикат глыбу размалывают до 5мм. В смеситель с водой 70оС, добавляют силикат глыбу, мешают. К концу загрузки силикат глыбы в смеситель, закрывают смеситель и доводят до кипения (варят 6 часов). Потом берут плотность из смесителя и смотрят подходит ли. Если нет варят дальше, если да, то сливают в отстойник.
-метод растворения кремнезёмсодержащих компонентов в едких щелочах
Щелочь поступает на завод в виде раствора. Щелочь идет в смеситель, туда же идет сырье с большим количеством кремнезема, туда же загружают песок из отстойников. Эту суспензию перекачивают в автоклав, в нем есть мешалка. В автоклаве включается мешалка, закрывается крышка, подается пар, давление до 12 атм. Варка идет 3 – 3,5 часа. Потом давление частично уменьшают и в автоклав подается вода из отстойника для получения заданной плотности. Потом жидкое стекло идет в отстойник.
Твердение:
Жидкое стекло твердеет за счет испарения воды, карбонизации.
Na2SiO3 + СО2 + Н2О → Si(OН)4 + Na2СO3+Н2О
Т.к. в воздухе CO2 мало, то твердение идет медленно, следовательно, на заводе вводят катализатор твердения (цемент, кремнефтористый натрий (5-15% от массы жидкого стекла))
Na2SiF6 + 2Na2SiO3 + 6Н2О → 3Si(OН)4 + 6NaF
Применение в строительстве:
Используют в кислоупорных составах. В жаростойких бетонах. Используют в качестве добавки в растворы для повышения их водостойкости и непроницаемости. Для укрепления грунтов.
Цементы на основе портландцементного клинкера: химический и минералогический составы портландцементного клинкера, виды, типы цементов, основные технические требования и свойства цементов, твердение, усадка цементного камня, условное обозначение цементов. Сульфатостойкие цементы. Белые и цветные цементы. Вяжущие низкой водопотребности (ВНВ). Основные способы производства цементов.
ПЦ – это продукт совместного тонкого помола ПЦ клинкера, гипса, добавок.
ПЦ клинкер – это продукт обжига до спекания сырьевой смеси известняка и глины в соотношении 75-78%, 22-25% по массе с корректирующими добавками.
Химический и минералогический состав ПЦ клинкера:
Химический состав ПЦ: CaO (62-68%), SiO2 (20-24%), Al2O3 (4-10%), FeO3 (0,5-6%), MgO (<5%) (вредная примись, может гидратироваться замедленно и потом растрескать бетон), щелочные оксиды (<1%)
Минералогический состав ПЦ: алит (C3S) (3Cao*SiO2), белит (C2S) (2CaO*SiO2), трехкальцевый алюминат (C3A) (3CaO*Al2O3) или C12A7, железистые минералы (чет. кал. алит) (C4AF) (4CaO*Al2O3*Fe2O3)
Виды:
Бездобавочный; с активными минеральными добавками (амд), ШПЦ, сульфатостойкий, комбинированный, белый, цветной
Типы цементов:
ЦЕМ 0 – без добавочного цемента
ЦЕМ 1 – добавка до 5% пц
ЦЕМ 2 – добавка до 20% пц + доб
ЦЕМ 3 – ЩПЦ (шлака до 95%) шлак
ЦЕМ 4 – ППЦ пуццолановый пк
ЦЕМ 5 – комбинированный цемент композиционный пк
Типы 1,2,3,4,5 длятся на подтипы A, B, C по количеству минеральной добавки. А самое маленькое.
Основные технические требования и свойства цементов:
Прочность – классы 32,5; 42,5; 52,5
Сроки схватывания: для 32,5 не ранее 75 мин, для 42,5 не ранее часа, для 52,5 не ранее 45 мин
Тонкость помола не регламентируется
Удельная поверхность не регламентируется
Равномерность изменения объема: по кольцам Ле-Шателье, если усики расходятся больше чем на 10 мм, то брак.
Группа эффективности: 1,2. Оценивают процент прочности после пропаривания. 1 самый высокий процент.
Минералогический состав: лучше всего алитовый цемент (имеет высокую раннюю прочность), но имеет низкую коррозионную стойкость. C3A снижает морозостойкость. Высокоалитовые, алюминатные цементы в массивных конструкциях выделяют много тепла, в центральной части сильно греется, будут трещины.
Содержание хлоридов меньше 0,1%.
Твердение:
При завторении ПЦ водой, все компоненты ПЦ, кроме минеральных добавок начинают растворяться, в растворе протекают химические реакции в результате образуется новые вещества.
2(3CaO*SiO2) +6H2O -> 3CaO*2SiO2*3H2O+3Ca(OH)2
2(2CaO*SiO2) +4H2O -> 3CaO*2SiO2*3H2O+Ca(OH)2
Ca(OH)2 – кристаллическую основу цементного камня.
3) 3Ca*Al2O3+H2O -> 3CaO*Al2O3*6H2O – хорошо закристаллизованное вещество (кубические кристаллы), реакция идет очень быстро. Но на этом этапе не останавливается, 3CaO*Al2O3*6H2O вступает в реакцию с гипсом, образуется этренгит.
3CaO*Al2O3*6H2O+3CaSO4*2H20 +H2O-> 3CaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O - гидросульфоалюминат кальция в трехсульфатной форме. Этренгит имеет низкую растворимость и быстро выкристаллизовывается из раствора. Этренгит кристаллизуется на некотором расстоянии от зерен. Маленькие молекулы воды просачиваются через оболочку этренгита, а крупные нет (из-за этого образуется перепад концентраций по отношению к новообразованиям) и оболочка замедляет процессы. В какой-то момент оболочка не выдерживает давление и разрушается, до тех пор, пока гипса много он продолжает реагировать с гидроалюминатами и образуются еще этренгит и снова замедляется схватывание. В конце гипс кончится, а цементное тесто быстро схватится.
Несмотря на малые размеры частиц, остатки цемента остаются в бетоне на протяжении от нескольких месяцев до нескольких лет. Постепенно вода реагирует с остатками, это как плюс, так и минус. Плюс в том, что это обеспечивает длинный набор прочности и самозалечивание дефектов. Минус том, что кристаллизация идет в уже сложившейся структуре, а это вызывает внутренние напряжения, которые в высокопрочных бетонах уменьшают прочность и вызывают растрескивание.
Ферритные минералы реагируют с водой:
4) 4CaO*Al2O3*Fe2O3+10H2O+Ca(OH)2 -> 3CaO*Al2O3*6H2O+3CaO*Fe2O3*6H2O
Усадка цементного камня:
Усадка:
воздушная, контракционная, карбонизационная.
(
V
элемента/конструкции при вт б.с.)
Условное обозначение цементов:
По новому стандарту: ЦЕМ [тип цемента (римская 1-5)]/[подтип] [класс] [скорость твердения (Н, М, Б)]
Для типов 2,3,4,5 ставится подтип A, B, C (А минимальное количество добавок) и ставится обозначение добавок.
Сульфатостойкие цементы:
Сульфатная коррозия бетона — это быстротекущая коррозия, которая способна разрушить бетон за несколько месяцев при опасности такой коррозии обычно применяют специальные цементы на основе ПЦ клинкера, который выпускается по отдельному стандарту, они могут быть без добавок или с АМД, имеют 2 класса (32,5; 42,5) и эти цементы принципиально не отличаются от общестроительных цементов, но в этих цементах ограничивается содержание компонентов, представляющих опасность коррозии бетона. С3А не более 3,5% для ЦЕМ 1, 5% для ЦЕМ 2, 7% для ЦЕМ 3. Содержание C4AF для ЦЕМ 3 не более 22%. Щелочных оксидов не более 0,6% для ЦЕМ 1,2.
Белые и цветные цементы:
Белый цемент ничем не отличается от обычного ПЦ. Чтобы сделать белый цемент надо подобрать белое сырье и применить мероприятия минимизирующие загрязнение белого цвета в процессе производства. Темный цвет дает Fe2O3, MnO, к сырью предъявляются требования по содержанию таких элементов. Если содержание Fe2O3 заметное, то в печи
надо обеспечить восстановительную атмосферу, для перехода Fe из 3 валентности во 2. Пыль берется из топлива, мелющих тел, футеровок. В мельницах используют фарфоровые мелющие тела. Марки 400,500. Есть три сорта по степени белизны.
Цветные (делают на основе белого клинкера и пигментов (минеральных до 15%, органических до 0,5%). Пигменты обладают низкой активностью цемента, у цветных цементов марки 300,400,500.
Вяжущие низкой водопотребности:
Продукт совместного тонкого помола ПЦ клинкера, гипса, суперпластификаторов, добавок. ВНВ имеет высокую степень помола и содержание большого количества суперпластификаторов, следовательно, ВНВ обладает низкой нормальной густотой цементного теста и ускоренным ростом прочности. У ВНВ НГЦТ 18-22%. Такие вяжущие требуют более длительный помол до 20 мин. Расход суперпластификаторов – 2,5% по массе. Молекулы суперпластификаторов адсорбируются на частицах цемента. При дальнейшем помоле идет деформация кристаллов. Молекулы суперпластификаторов могут оказаться в глубине цементных частиц. Молекулы суперпластификаторов могут разрываться. Минусы: низкий расход вяжущего приводит к уменьшению щелочности среды, что влечет к повышению коррозии.
Основные способы производства цементов:
Мокрый и сухой. При сухом способе высокие затраты на однородность. У мокрого повышенный расход топлива.
Мокрый способ.
Сырье в виде кусков поступает на склад. Потом его измельчают до 5 мм. Мягкие породы измельчают с добавлением воды в глиноболтушках. Потом сырье идет в шлам бассейн, где готовится шлам-жидкость. Лаборатория берет из бассейна пробу и смотрит нужны ли добавки. Если нужны, то дозируются в бассейн. Потом шлам идет во вращающуюся печь. Внутри печи есть теплообменные устройства (толстые цепи). С нижнего торца подается теплоноситель и воздух.
Зоны печи:
1. зона испарения – тут материал греется до 200 градусов и испаряется свободная вода, шлам твердеет, распадается на куски за счет вращения.
2. зона подогрева – температура 700 градусов, тут удаляется химически связанная вода, выгорает органика и начинается разложение некоторых минералов.
3. зона карбонизации – температура 1100 градусов, тут полностью разлагаются карбонатные породы, глинистые минералы разлагаются на оксиды, начинается твердофазные реакции соединение оксида кальция с прочими оксидами (Si, Fe, Al). На этой фазе фиксируются C3A, CA. Появляется C2S.
4. зона экзотермических реакций – температура 1400 градусов, формируются все основные оксиды клинкера, кроме алита.
5. зона спекания – температура 1450 – 1500 градусов. В конце зоны температура уменьшается. Плавится 15% материала. C2S не плавится, но он растворяется в расплаве и в этом состоянии идет химическая реакция в результате которой образуется алит. Алит имеет высокую температуру плавления и малую растворимость в расплаве, следовательно, после образования он быстро выкристаллизовывается из расплава, процесс идет до тех пор, пока не кончится свободная известь.
6. зона охлаждения – температура 1200-1300 градусов. Расплав твердеет, материал на выходе получается в виде гранул.
После печи идет в охлаждение. У белита есть модификации бета – обладает высокой активностью, но при малых температурах основной является гамма – она является стабильной и обладает малой химической активностью. При переходе из беты в гамму увеличивается объем на 10-12%. Если клинкер охладить сразу, то бета перейдет сразу в гамму, но клинкер рассыпается в порошок. Цемент на таком клинкере обладает низкой химической активностью, следовательно, надо клинкер охлаждать быстро, чтобы не произошла перекристаллизация из беты в гамму. Быстро охлаждение обеспечивается в колосниковых холодильниках (снизу на решетку дует холодный воздух). В холодильнике температура падет до 100-200 градусов.
Потом клинкер собирается в емкости на вылеживание (догашивается известь). Полученный клинкер с гипсом и АМД идут на помол. При помоле температура 200 градусов и часть гипса при этом разлагается. На линии предусматривают холодильник для охлаждения цемента (при соприкосновении со стенками мельниц, в которых идет холодная вода). Потом цемент идет на упаковку или в силосы.
Сухой способ.
Сырье измельчается с подсушиванием. Получается сырьевая мука. Перемешивание идет за счет многократного перемещения муки из одного коррекционного силоса в другой. Это обеспечивает гомогенность. Дальше все также, как и в мокром способе. Мука идет в печь, но печь будет короче.