книги / Методы физико-химического анализа вяжущих веществ

Бесцветные шестиугольные пластинки с копьевидными двойни­ ками, по-видимому, по (001); пг = 1,473, пт= 1,469, пр= 1,469, (+ ) 2V=35° (по другим данным 76°15'), также ng=l,483, nm=l,480, пр= 1,470, несовершенная призматическая спайность. ИКС: полосы

Дж/(моль-град). Плотность 2,27 г/см3. Твердость 7. Получают из Смеси 1 части аморфного SiC>2 с 10 частями вольфрамокислого нат­ рия обжигом в течение 4 ч при температуре 1000°С. Встречается в излившихся кислых породах, образуется в динасовых огнеупорах и при расстекловывании кислых стекол.

$-Тридимит. Разновидность тридимита с областью метастабильного существования от 117 до 163°С. Гексагональная сингония; од­ ноосный; Пщ= 1,475.

а-Тридимит. Высокотемпературная разновидность тридимита с областью стабильного существования от 870 до 1470°С. Превраща­ ется в кварц ниже 870°С и в кристобалит выше 1470°С, скорость указанных превращений очень мала, поэтому тридимит может су­ ществовать в течение длительного времени как метастабильная фаза. Гексагональная сингония; простр. гр. Рбз/mmc; а=5,00(5,03), с= 8,26 (8,22) А; 1 = 4.

Дифракционная характеристика а-тридимита:

л Л / hkil | d.%. / hkil | ч. к / hkil

Температура неравновесного плавления 17,03оС.

Р-Кристобалит. Низкотемпературная форма тридимита с обла­ стью метастабильного существования ниже 200—275°С. Тетраго­

нальная сингония; простр. гр. D \ — P4i2i2; а=4,9615 (4,973), с= = 6,9054 (6,95) A; Z= 4.

Дифракционная характеристика (J-кристобалита:

Бесцветные кристаллы обычно в виде сложных полисинтетиче­ ских, двойников; одноосный, отрицательный; «о= 1,487, пе= 1,484.

= 42,66 Дж/(моль-град). Испытывает наибольшее расширение по сравнению с другими модификациями Si02 при переходе в а-форму при температуре 200—275°. Почти не растворяется в воде, НС1 и H2SO4, слабо растворяется в щелочах, растворяется в HF. Получа­ ется обжигом аморфного Si02 в течение 2 ч при 1550°С с последую­ щим охлаждением. Встречается в некоторых горных породах, об­ наружен в динасе мартеновских печей.

а-Кристобалит. Высокотемпературная модификация кристобаллита с областью стабильного существования от 1470°С и до темпе­ ратуры плавления 1728°С. Кубическая сингония; простр. гр. Fd3m; а = 7,16 A; Z=8.

Дифракционная характеристика а-кристобалита (500°):

Габитус кристаллов — октаэдры, кубы или скелетные формы роста с двойниками обычно по (111); «=1,486. 7’Пл= 1728°С. Плот­ ность 2,27—2,35 г/см3. Твердость 6—7.

Коэсит (коусит или кремнезем С). Моноклинная сингония; а = 7,23, Ь = 12,52,. с=7,23 А; р=120°; Z= 17; также а = Ь = 7,12, с= 12,38 А; 7=120°; Z=16,6. Основные дифракционные максимумы с d, А: 3,09; 3,43; 6,20. Кристаллизуется в виде шестиугольных пластинчатых кристаллов, псевдотетрагональные двойники, наблюдались также сферолиты и удлиненные кристаллы; двуосный с косым погасани­ ем: % = 1,604, Пщ= 1,593, пр—1,559; (+ ) 2 К=54°; по другим данным двуосный, отрицательный, удлинение положительное; пе= 1,597, пр= 1,594. Плотность 3,01 г/см3. Твердость 8. При 1700°С переходит в кварцевое стекло и кристобалит. Не растворяется в HF, раство­ рим в расплавленном (NH4)HF2. Получен из смеси равных объемов Na2Si03 и (NH4)2HPC>4 при 500—800°С и давлении 3,43 ГПа; в сме­ си с кварцем образуется из аморфного кремнезема при 450—600°С и давлении 2,55—3,43 ГПа. В природе обнаружен в метеоритных жратерах.

Китит (кремнезем К). Тетрагональная сингония; а=7,46, с —

1620°С в течение 3 ч переходит в кристобалит. Поликристаллические образцы китита при нагревании до 300°С сжимаются, а выше 300°С расширяются. Растворим в холодной HF. Получается дейст­ вием раствора NaOH на £ i0 2 в виде силикагеля при 380—585°С и давлении 34,3—123,7 МПа.

ние 4,28 г/см3). Получен из кварца при температуре 1200—1400°G и давлении 15,68—17,64 ГПа. В природе встречается в метеорит­

таллизуется в виде волокнистых очень прочных кристаллов толщи­ ной 2—25 мкм и длиной 5—9 мм. При длительном нагревании при 1390°С переходит в кристобалит, а при 200—800°С — в тридимит. Малостоек по отношению к парам воды, переходя при их действии в метакремниевую кислоту. Получен нагреванием при 1200—1400°С смеси дисперсных Si02 и Si в присутствии чистого 0 2 под давлени­ ем 0,133 Па с последующей конденсацией в холодильнике (или окислением газообразной SiO при указанных температурах).

Идентификационные характеристики безводных соединений, составляющих технические продукты

В процессе термического разложения природных материалов, вхо­ дящих в состав сырьевых смесей для получения вяжущих веществ, отдельные минералы, составляющие породы, претерпевают сложные изменения с образованием различных минеральных фаз, составляю­ щих основу технических продуктов строительной индустрии.

Ниже приводится краткая характеристика этих продуктов, со­ стоящих из минералов, идентификационные характеристики кото­ рых приведены в гл. 9 и 10.

Аглопорит — пористый материал, получаемый агломерацией топливных шлаков, золы, глинистых пород. Он состоит в основном из стекловидной фазы, содержащей вкрапления кристаллов кварца, полевых шпатов, магнетита, фаялита, муллита, анортита. Исполь­ зуют как заполнитель легких бетонов и теплоизоляционную за­ сыпку.

Асбестоцементные материалы — цементный камень, армирован­ ный тонковолокнистым асбестом (13—18%). Основу асбестоцемен­ та составляют продукты гидратации минералов портландцемента (гидросиликаты, гидроалюминаты кальция и др.) и волокна хризо­ тил-асбеста. Используются как кровельные материалы, трубы, утепленные конструкционные плиты и т. п.

Аэросил — высокодисперсный синтетический диоксид кремния, содержащий до 0,1% примесей Fe20 3, А120з, ТЮ2. Используют как наполнитель пластмасс и т. п.

Бетон — искусственный материал, получаемый при твердении смеси вяжущего материала, воды и заполнителей. В зависимости от вида крупного заполнителя различают обычный бетон, керамзитобетон, аглопоритобетон, пемзобетон, шлакопемзобетон, туфобе­ тон, вермикулитобетон, шлакобетон и др. Известны также пенобе­ тон, жароупорный бетон, гидротехнический бетон, тяжелый бетон, полимерцементный бетон и др. Основу затвердевших бетонов со­ ставляют продукты гидратации вяжущих веществ и минеральные заполнители. При коррозии бетона образуются различные соедине­ ния, состав которых зависит от состава агрессивной среды.

Вяжущие материалы — высокодисперсиые порошкообразные ве­ щества, которые при смешивании с водой образуют пластичное тес­ то, затвердевающее со временем в прочный цементный камень.

К традиционным вяжущим веществам относят известь, гипс. порт­

ландцемент и его разновидности. В результате взаимодействия, ми­ нералов с водой образуются гидратные соединения — гидросилика­ ты кальция fnCaO • т5ГО2 • рН20 ) , гидроалюминаты кальция (хСаО •

ной массы. При использовании ВаО вместо СаО получают ба­ риевые цементы, содержащие минералы 2Ba0-Si02, 3B a0-Si02, ЗВа0-А120 3, Ва0-А120 3 и др., а при замене СаО на SrO — строн­ циевые цементы, состоящие из 2Sr0-Si02, 3Sr0-Si02 и других со­ держащих стронций соединений.

Глиноземистый цемент — цемент, содержащий до 80% минерала СаО-А12Оз; отличается быстрым твердением. В его состав также входят 5Са0-ЗА120 3, 2Ca0 -Al20 3-Si0 2, 4СаО-А120з-Ре20з, СаО- •Ti02 и другие минералы.

Грунтовые материалы — затвердевший камнеподобный матери­ ал, получаемый на основе вяжущего вещества (портландцемент, шлак, зола, растворимое стекло), тонкодисперсных минеральных грунтов и воды. Известны грунтобетон, грунтосиликаты, цементогрунты. Цементирующие функции осуществляют продукты гидра­ тации вяжущих веществ.

Золы — минеральная часть твердого топлива (углей), остаю­ щаяся после сгорания их органической составляющей. В зависи­ мости от вида углей и условий их сжигания в составе золы содер­ жатся метакаолинит, кремнезем (кварц, тридимит), глинозем, мул­ лит и др., а также от 0,5 до 20% несгоревших частиц топлива. Используются при получении зольных цементов как кислый компо­ нент.

Золобетон — бетон, получаемый на основе вяжущего вещества (портландцемент, известь), тонкодисперсной золы, специальных до­ бавок и воды.

Известь — вяжущий материал, образуется при обжиге кальцие­ во-магниевых карбонатных пород (мел, известняки, доломит). Ос­ новной минерал кальциевой извести — СаО, магнезиальной извес­ ти — СаО и MgO, карбонатной извести — СаО и СаСОз. Примеси, содержащиеся в карбонатных породах, разлагаются при обжиге и реагируют с СаО, образуя волластонит, ранкиннт СаО-А12Оз, СаО-Ре2Оз и другие низкаосновные соединения. Известь реагирует с водой с образованием Са(ОН)2 и Mg(OH)2. Под воздействием С02 воздуха известковое тесто постепенно твердеет за счет пере­ кристаллизации Са(ОН)2 и Mg (ОН) 2 и образования СаСОз и

MgC03.

Керамзит — пористый строительный материал, получаемый об­ жигом легкоплавких глин. Глины в процессе обжига вспучиваются выделяющимся 0 2 и СО. Керамзит состоит из минералов — продук­ тов термического разложения составляющих глины: метакаоли­ нита, муллита, корунда и т, п. Применяют как заполнитель бе­ тона.

Кислотостойкий бетон — бетон, изготовляемый из растворимого стекла (ЫагО-пБЮг), применяемого в виде водного раствора, тонкоизмельченного кварцевого песка (92%), кремнефтористого нат­ рия (Na2SiF6) и мелкого и крупного кислотоупорного заполнителя. В качестве заполнителей используют: андезит, базальт, бештаунит, диабаз, гранит, кварцит, фальзит, фарфор, шамот и др. При твер­ дении бетона происходит гидролиз растворимого стекла с выделе­ нием Si(OH)4, а щелочь, реагируя с СОг воздуха, образует ЫагСОз.

(цинковая пыль и алюминиевая пудра), черные (сажа и графит), желтые, оранжевые, красные (PbCr04-nPbS04, PbCrCVPbO, CdS-CdSe, HgS, сурик, охра, мумия), зеленые, синие, фиолетовые (Сг20з, Сг20з-пН20, лазурь, ультрамарин), коричневые (сиена, мар­ ганцевая краска).

НесЬелиновый шлам — шламообразный отход, образующийся при'производстве глинозема, содержащий '80—85% 2Ca0-Si02- •хНгО и 2Ca0 -Si02j остальное количество массы — гйдраты гли­ нозема, железа, сульфаты натрия и калия, комплексные гид­ раты.

Портландцемент — гидравлический вяжущий материал, состоя­ щий из 3CaO-SiC>2, 2CaO-SiC>2, ЗСаО-АЬОз, 4СаО-АиОз-РегОз и небольшого количества второстепенных минералов Na2SC>4, K2 SO4 , MgO и др. Известны быстротвердеющий, высокопрочный, тампо­ нажный,' гидротехнический, белый, декоративный и другие разно­ видности портландцемента. Твердеет при затворении водой кщк на

портландцемента или извести с пуццолановой добавкой (20—40%). В качестве пуццолановой добавки используют собственно пуццола­ ну, а также трепел, диатомит, опоку.

Растворимое стекло— синтетический продукт состава I^O-zxSiCb,

Расширяющийся цемент — цемент, способный в процессе твер­ дения расширяться в результате образования в массе изделия круп­ ных и быстрорастущих кристаллов эттрингита — ЗСаО-АЬОз- •ЗСа504-32Нг0. Известны гипсоглиноземистый цемент, расширяю­ щийся портландцемент, напрягающий цемент.

Силикагель — обезвоженный и прокаленный гель диоксида кремния.

Силикальцит, известково-кремнеземистое вяжущее — тонкодис­ персная смесь кварца и извести ( — 50 %), используемая для изго­ товления силикатного бетона. Силикатный бетон получают смеши­ ванием вяжущего (~20% ) и кварцевого песка ( — 80%) в присут­

ствии воды с последующим формованием изделий и гидротермаль­

различных материалов, которые при смешивании с ортофосфорной кислотой образуют вначале пластичную массу, которая со време­ нем затвердевает в прочное камневидное тело. Известны следую­ щие составы фосфатных связующих: титанофосфатный, медьфосфатный, алюмофосфатный, цинкофосфатный, силикатный зубной, магнийфосфатный, хромалюмофосфатный и др. Продуктами твер­ дения связующих являются соединения типа 5ТЮ2-2Р2С>5, Cu3(P04)2r3H20, Zn3(P04)2-4H20, MgHP04-3H20, А12(НР04)3.

Цементный камень — затвердевший портландцемент, состоящий из кристаллогидратов различного состава, негидратированных час­ тиц клинкера и несвязанной воды. В состав цементного камня вхо­ дят следующие кристаллогидраты: CSH-I, CSH-II, тоберморит; C3SH2, С3АН6, C4AH7-i9, C3FH6, эттрингит, гидрогранаты, Са(ОН)2, CaS04*2H20 и некоторые другие гидраты.

Шлак — отход, образующийся при производстве чугуна, стали и при сжигании твердых топлив. В составе различных шлаков содер­ жатся следующие минералы: геленит, окерманит, волластонит, мер-

другие. Применяют для производства шлаковых цементов и бето­

нов.

Шлаковые цементы — цементы, получаемые смешиванием тон­ кодисперсных портландцемента, извести или гипса с гранулирован­ ным (стекловидным) шлаком. Известны шлакопортландцемент, из­ вестково-шлаковый, сульфатно-шлаковый цементы.

Идентификация хорошо закристаллизованных минералов не вы­ зывает больших трудностей, поэтому физико-химические характе­ ристики их достаточно полны.

Мелкокристаллические промежуточные соединения идентифици­ ровать весьма сложно, поэтому информация о них невелика. Дей­ ствительно, эти соединения часто существуют в узком интервале температур, кристаллы их мелки и несовершенны, часты сростки и псевдоморфозы, состав из_-за неравновесных условий синтеза под­ вержен колебаниям; все это создает большие сложности для про­ ведения точного идентификационного анализа.

Элементы, входящие при высоких температурах в состав твер­ дых растворов, образуемых основными минералами технических продуктов, идентифицируются преимущественно спектральным и рентгеновским методами.

А120 3 _ ГЛинозем (М= 101,96; состав, %: А1 59,92; О 47,08). Су­ ществует в виде нескольких разновидностей, основными из кото-

рых являются: а-А12 0з (корунд); р-А12 0з; у-А12 0з. Кроме того, есть данные о существовании еще нескольких разновидностей (6-А12 0з; I-AI2 O3 ; 0 - А 1 2 О з ; р-АЬОз и др.), представляющих собой неустойчи­ вые промежуточные фазы, возникающие в процессе обезвоживания гидрата оксида алюминия или при окислении алюминия.

а-А12 0з — корунд. Окрашенные примесями прозрачные разно­ видности: рубин (красный); сапфир (синий); восточный топаз (жел­ тый); восточный аметист (фиолетовый) и пр., непрозрачная разно­

Габитус кристаллов — базальные пластинки, ограниченные гра­ нями ромбоэдра или какими-либо другими гранями; при отсутствии примесей — бесцветный; одноосный, отрицательный; п0= 1,7653 (С); 1,7686 (D); пе= 1,7604 (D); 2 К=10—12°; спайность отсутствует, но может наблюдаться базальная отдельность. ДТА природного корун­ да: (+ ) 350°С (окисление органических примесей); (—) 500—600°С (удаление конституционной воды из примесного диаспора). Искус­ ственный корунд при нагревании до 1200°С не дает на термограмме никаких эффектов. 7,ПЛ = 2050°С. ДН°=—1676,39 кДж/моль, AG°=

весьма слабо растворяется в щелочах. Получают при кристаллиза­ ции расплава бокситов. В природе встречается в глубинных магма­ тических породах, в некоторых метаморфизированных известняках и т. д. В результате своей химической инертности часто накапли­ вается в виде россыпей.

р-АЬОз (р-глинозем). Разновидность глинозема, представляю­ щая собой, по некоторым данным, высокоглиноземистые алюмина­ ты щелочных и щелочноземельных элементов с общей формулой R20 - 11А120з или R20*6A120 3 (где R= Na, К, Rb, CS) и R0*6A120 3 (где R= Ca, Ва, Sr), а А1 может частично замещаться на Fe3+ и Ti3+. Таким образом, к этой фазе можно отнести соединения состава

1,19; 2,68. Бесцветные тригональные или гексагональные пластин­ чатые кристаллы с совершенной базальной спайностью; одноосный,

«о= 1,670, «<>= 1,633; плотность 3,33 г/см3.

КгАЬгОтПСяО-бАЬОя). Гексагональная сингония. Характерные дифракционные максимумы с d, А: 1,40; 2,51; 2,69. Бесцветные од­

пластинки, «=1,690—1,696. Плотность 3,29—3,47 г/см3. Растворим в НС1, NaOH. Возникает при обезвоживании гидратов глинозема при умеренных температурах. Имеет ряд разновидностей, в част­ ности, у'=А120з с а = 3,96 А (обнаружен на электродах при элект­ ролитическом способе получения алюминия); некубическую форму \’-А120 з, переходную к ©-модификации глинозема; кристаллическую фазу, получаемую из алюмосиликатных или алюмофосфатных рас­

ВаО 60,06; А120з 39,94; Ва 53,80; А1 21,14; О 25,06). Гексагональная сингония; а = 5,209, с=8,761 А, простр. гр. Р6322.