Производство цемента и стекла
Обновлено: 28.04.2024
Сырье для строительных материалов.
Основным природным сырьем для производства строительных материалов являются горные породы. Их используют для изготовления керамики, стекла, металла, неорганических вяжущих веществ. Сотни кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей для бетонов и растворов.
Другим важным сырьевым источником являются техногенные вторичные ресурсы (отходы промышленности). Пока они используются недостаточно. Но по мере истощения природных ресурсов, повышения требований к охране окружающей среды и разработки новых эффективных технологий техногенное сырье будет применяться значительно шире.
Горные породы как сырьевая база
производства строительных материалов
Горные породы – это значительные по объему скопления минералов в земной коре, образовавшиеся в результате физико-химических процессов. Минералы – это вещества, обладающие определенным химическим составом, однородным строением и характерными физико-механическими свойствами. По условиям образования горные породы разделяют на три основные группы:
Магматические (первичные) горные породы образовались при охлаждении и отвердевании магмы.
Осадочные (вторичные) горные породы образовались в результате естественного процесса разрушения первичных и других пород под влиянием воздействия внешней среды.
Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате последующего изменения первичных и вторичных пород.
Магматические горные породы
Глубинные – это породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Излившиеся породы образовались при вулканической деятельности, излиянии магмы и ее затвердении на поверхности.
Главные породообразующие минералы– кварц (и его разновидности), полевые шпаты, железисто-магнезиальные силикаты, алюмосиликаты. Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, поэтому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способность к обработке (к полировке, шлифовке и т.п.).
Кварц, состоящий из кремнезема (диоксида кремния SiО2) в кристаллической форме, является одним из самых прочных и стойких минералов. Он обладает: исключительно высокой прочностью (при сжатии до 2000 МПа); высокой твердостью, уступающей только твердости топаза, корунда и алмаза; высокой химической стойкостью при обычной температуре; высокой огнеупорностью (плавится при температуре 1700°С). Цвет кварца чаще всего молочно-белый, серый.
Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц остается почти неизменным при выветривании магматических пород, в состав которых он входит. Полевые шпаты– это самые распространенные минералы в магматических породах (до 2/3 от общей массы породы). Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т.п.). Главными разновидностями полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы. По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно меньшими прочностью (120-170 МПа на сжатие) и стойкостью, поэтому они реже встречаются в осадочных породах (главным образом, в виде полевошпатовых песков). Результатом выветривания является глинистый минерал – каолинит.
В группе железисто-магнезиальных силикатов наиболее распространены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы (роговая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вторичные минералы, чаще всего замещающие оливин, – серпентин, хризотил-асбест.
Все вышеперечисленные минералы характеризуются высокой прочностью и ударной вязкостью, а также повышенной плотностью.
Глубинные (интрузивные) горные породы.
При медленном остывании магмы в глубинных условиях возникают полнокристаллические структуры. Следствием этого является ряд общих свойств глубинных горных пород: весьма малая пористость, большая плотность и высокая прочность.. Средние показатели важнейших строительных свойств таких пород: прочность при сжатии 100–300 МПа; плотность 2600–3000 кг/м 3 ; водопоглощение меньше 1 % по объему; теплопроводность около 3 Вт/(м×°С).
Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца (25–30 %), натриево-калиевых шпатов (35–40 %) и плагиоклаза (20–25 %), обычно небольшим количеством слюды (5-10 %) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии – 120–250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысокое и составляет лишь около 1/30–1/40 от сопротивления сжатию.
Одним из важнейших свойств гранитов является малая пористость, не превышающая 1,5 %, что обусловливает водопоглощение около 0,5 % (по объему). Поэтому морозостойкость их высокая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескивается при температурах выше 600 °С вследствие полиморфных превращений кварца. Гранит, так же, как и большинство других плотных магматических пород, обладает высоким сопротивлением истиранию.
Из всех изверженных пород граниты наиболее широко используют в строительстве, так как они являются самой распространенной из глубинных магматических пород. Остальные глубинные породы (сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и применяются значительно реже.
Излившиеся (эффузивные) горные породы.
Магматические породы, образовавшиеся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и занимающие по условиям залегания и структуре промежуточное положение между глубинными и излившимися породами, имеют полнокристаллические неравномернозернистые и неполнокристаллические структуры.
Среди неравномернозернистых структур выделяют порфировидные и порфировые структурыКварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Их прочность, пористость, водопоглощение сходны с показателями этих свойств, присущими гранитам. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследствие наличия крупных вкраплений.
.Горные породы, образовавшиеся в результате излияния магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли, состоят, как правило, из отдельных кристаллов, вкрапленных в основную мелкокристаллическую, скрытокристаллическую и даже стекловатую массу. Излившиеся породы в результате неравномерного распределения минеральных компонентов сравнительно легко разрушаются при выветривании. К плотным излившимся породам относят андезиты, базальты, диабазы, трахиты, липариты.
Андезиты – излившиеся аналоги диоритов – породы серого или желтовато-серого цвета. Структура может быть неполнокристаллическая или стекловатая. Плотность андезитов 2700-3100 кг/м 3 , предел прочности при сжатии 140-250 МПа. Андезиты применяют для получения кислотостойкого бетона.
Базальты применяют главным образом в качестве бутового камня и щебня для бетонов, в дорожном строительстве (для мощения улиц); особо плотные породы используют в гидротехническом строительстве. Базальты являются исходным сырьем для литых каменных изделий, используются для получения минеральных волокон в производстве теплоизоляционных материалов.
К пористым излившимся породам относят пемзу, вулканические туфы и пеплы, туфолавы. Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, образовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Пористость ее достигает 60 %; стенки между порами сложены стеклом. Твердость пемзы около 6, истинная плотность 2–2,5 г/см 3 , плотность 0,3–0,9 г/см 3 . Большая пористость пемзы обусловливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор – достаточную морозостойкость. Пемза –ценный заполнитель в легких бетонах (пемзобетоне). Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использовать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести Вулканический пепел – наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана. Размеры частичек пепла колеблются от 0,1 до 2 мм. Вулканический пепел является активной минеральной добавкой.
Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня для кладки стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких перекрытий. Применяются туфы и в виде щебня для легких бетонов.
Осадочные горные породы
Большинство осадочных пород имеет более пористое строение, чем плотные магматические породы, а следовательно, и меньшую прочность. Некоторые их них сравнительно легко растворяются (например, гипс) или распадаются в воде на мельчайшие частицы (например, глины).
Главные породообразующие минералы.
Наиболее распространенные минералы группы кремнезема – кварц, опал, халцедон. В осадочных породах присутствует кварц магматического происхождения и кварц осадочный. Осадочный кварц отлагается непосредственно из растворов, а также образуется в результате перекристаллизации опала и халцедона. Опал – аморфный кремнезем. Опал чаще всего бесцветен или молочно-белый, но в зависимости от примесей может быть желтым, голубым или черным. Плотность 1,9-2,5 г/см 3 , максимальная твердость 5-6, хрупок. Опал, халцедон, некоторые вулканические породы при применении в составе соответствующих горных пород в качестве заполнителей бетона могут вступать в реакцию со щелочами цемента, вызывая разрушение бетона. Минералы группы карбонатов имеют широкое распространение в осадочных породах. Наиболее важную роль в них играют кальцит, доломит и магнезит.
Кальцит (СаСО3) – бесцветный или белый, при наличии механических примесей серый, желтый, розовый или голубоватый минерал. Блеск стеклянный. Плотность 2,7 г/см 3 , твердость 3. Характерным диагностическим признаком является бурное вскипание в 10 %-ной соляной кислоте.
Доломит [CaMg(CO3)]2 – бесцветный, белый, часто с желтоватым или буроватым оттенком минерал. Блеск стеклянный. Плотность 2,8 г/см 3 , твердость 3-4. В 10 %-ной соляной кислоте вскипает только в порошке и при нагревании. Доломит обычно мелкозернистый, крупные кристаллы встречаются редко. Образуется он либо как первичный химический осадок, либо в результате доломитизации известняков. Минерал доломит слагает породу того же названия.
Магнезит (MgCO3) – бесцветный, белый, серый, желтый, коричневый минерал. Плотность 3,0 г/см 3 , твердость 3,5-4,5. Растворяется в НСl при нагревании. Минерал магнезит слагает породу того же названия.
К группе глинистых минералов относятся каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.
Каолинит (Al2O3×2SiO2×2H2O) – белый, иногда с буроватым или зеленоватым оттенком минерал. Плотность 2,6 г/см 3 , твердость 1. На ощупь жирный. Каолинит слагает каолиновые глины, входит в состав полиминеральных глин, иногда присутствует в цементе обломочных пород.
Наиболее распространенными минералами группы сульфатов являются гипс и ангидрит.
Гипс (CaSO4×2H2O) представляет собой скопление белых или бесцветных кристаллов, иногда окрашенных механическими примесями в голубые, желтые или красные тона. Плотность 2,3 г/см 3 , твердость 2.
Ангидрит (CaSO4) – белый, серый, светло-розовый, светло-голубой минерал. Плотность 3,0 г/см 3 , твердость 3–3,5. Как правило, встречается в виде сплошных мелкозернистых агрегатов..
Обломочные породы.
Породы рассматриваемой группы сложены преимущественно зернами устойчивых к выветриванию минералов и горных пород.
Рыхлые обломочные породы – песок (с зернами преимущественно до 5 мм) и гравий (с зернами свыше 5 мм) – применяют в качестве заполнителей для бетона, в дорожном строительстве, для железнодорожного балласта. Пески служат компонентом сырьевой смеси в производстве стекла, керамических и многих других изделий.
Глинистые породы сложены более чем на 50 % частицами мельче 0,01 мм, причем не менее 25 % из них имеют размеры меньше 0,001 мм. Они характеризуются сложным минеральным составом. За основу минералогической классификации глинистых пород принимается состав глинистых минералов. Каолиновые глины сложены минералом каолинитом. Обычно эти глины окрашены в светлые тона, жирные на ощупь, они малопластичны, огнеупорны.
Полимиктовые глины представлены двумя или несколькими минералоами, причем ни один из них не является преобладающим Каолиновые глины являются огнеупорными и их широко используют в керамической промышленности Гидрослюдистые глины и глины полимиктового состава применяют для изготовления кирпича, грубой керамики и других изделий. Глины являются также компонентом сырьевой смеси в производстве цемента. Глины используют как строительный материал при возведении земляных плотин (экраны и пр.).
Сцементированные обломочные породы – песчаники, конгломераты, брекчии. Песчаник состоит из зерен песка, сцементированных различными природными «цементами». Если в состав пород входят крупные куски (гравий или щебень), то им даются название конгломерата (при округлых кусках) и брекчии (при остроугольных кусках). Из них чаще всего применяются в строительстве песчаники (так же, как и плотные известняки
.Наиболее распространенными карбонатными породами являются известняки и доломиты. Известняк – порода, сложенная более чем на 50 % кальцитом; доломит – более чем на 50 % доломитом Порода, характеризующаяся приблизительно равным содержанием карбонатного и глинистого материала, называется мергелем.
Пористость плотных известняков не превышает десятых долей процента, а рыхлых достигает 15–20 %. Доломиты по внешнему виду похожи на известняки. Цвет доломитов белый, желтовато-белый, светло-бурый. Для них характерны микрозернистые и кристаллически-зернистые структуры. Благодаря широкому распространению, легкой добыче и обработке известняки, доломитизированные известняки и доломиты применяют в строительстве чаще, чем другие породы.
Их используют в виде бутового камня для фундаментов, стен неотапливаемых зданий или жилых домов в районах с теплым климатом, а наиболее плотные породы применяют в виде плит и фасонных деталей для наружных облицовок зданий. Известняковый щебень часто используют в качестве заполнителя для бетона. Известняки широко применяют как сырье для получения вяжущих веществ – извести и цемента. Доломиты используют для получения вяжущих и огнеупорных материалов в цементной, стекольной, керамической и металлургической промышленности.
Сульфатные породы – гипс и ангидрит служат сырьем для получения вяжущих веществ, иногда их применяют в виде облицовочных изделий.
Аллитовые породы характеризуются высоким содержанием глинозема. В этой группе выделяют две главные породы: бокситы и латериты. Породообразующими минералами бокситов являются гидроксиды алюминия (гиббсит и диаспор). Бокситы разнообразны по внешнему виду. Они могут быть мягкими, рыхлыми, похожими на глину Пластичностью бокситы не обладают.Их используют для производства алюминия, искусственных абразивов, огнеупоров, глиноземистого цемента.
Метаморфические горные породы
Метаморфизмом называют преобразование горных пород, происходящее в недрах земной коры под влиянием высоких температур и давлений. В этих условиях может происходить кристаллизация минералов без их плавления.
Основные разновидности метаморфических горных пород.
Некоторые разновидности глинистых, кремнистых, слюдистых и иных сланцев являются естественными кровельными материалами – кровельными сланцами. Эти сланцы легко раскалываются по плоскостям сланцеватости на ровные и тонкие (2–8 мм) плоские плитки. Они должны отвечать определенным требованиям: иметь достаточную плотность и вязкость, твердость, малое водопоглощение, высокую водостойкость, стойкость к выветривания. Плотность кровельных сланцев около 2,7–2,8 г/см 3 , пористость 0,3–3 %, предел прочности при сжатии 50–240 МПа. Большое значение имеет также прочность на излом перпендикулярно сланцеватости. Кровельные сланцы используют в производстве кровельных плиток и некоторых строительных деталей (плит для внутренней облицовки помещений, лестничных ступеней, плит для пола, подоконных досок и т.п.).
Гнейсы – породы метаморфического генезиса, образовавшиеся при температуре 600–800 °С и высоком давлении. Исходными являются глинистые и кварцево-полевошпатовые (граниты) породы. Гнейсы по механическим и физическим свойствам не уступают гранитам, однако сопротивление на излом у них в 1,5–2 раза меньше.
Применяют гнейсы при бутовой кладке, для кладки фундаментов, в качестве материала для щебня и отчасти в виде плит для мощения дорог. Щебень из сильно сланцеватого гнейса не используют для бетона и дорожного строительства из-за нежелательной формы зерен.
Образование кварцитов связано с перекристаллизацией песчаников. Важными свойствами кварцитов являются высокая огнеупорность (до 1710–1770 °С) и прочность на сжатие (100–450) МПа. В строительстве кварциты используют в качестве стенового камня, подферменных камней в мостах, бута, щебня и брусчатки, а кварциты с красивой и неизменяющейся окраской – для облицовки зданий. Кварциты применяют в производстве динаса – огнеупора, обладающего высокой кислотостойкостью.
Мрамор – мелко-, средне- и крупнозернистая плотная карбонатная порода, состоящая главным образом из кальцита и представляющая собой перекристаллизованный известняк. Прочность на сжатие составляет 100-300 МПа. Мрамор легко поддается обработке, вследствие малой пористости хорошо полируется. Мрамор широко применяется для внутренней отделки стен зданий, ступеней лестниц и т.п. В виде песка и мелкого щебня (крошки) его используют для цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона и т.п. В условиях сульфатной коррозии для наружных облицовок мрамор не применяют.
Техногенные и вторичные ресурсы
По данным ЮНЕСКО, в мире ежегодно извлекают из недр более 120 млрд. т руд, горючих ископаемых, другого сырья (20 т сырья на каждого жителя планеты). По масштабам извлекаемого и перерабатываемого сырья хозяйственная деятельность человека превзошла вулканическую (10 млрд. т в год) и размыв суши всеми реками мира (25 млрд. т в год). Эта деятельность, кроме того, сопровождается образованием колоссального количества отходов. Основными источниками многотоннажных отходов являются: горнообогатительная, металлургическая, химическая, лесная и деревообрабатывающая, текстильная отрасли промышленности; энергетический комплекс; промышленность строительных материалов; агропромышленный комплекс; бытовая деятельность человека.
. Отходы производства или побочные продукты промышленности являются вторичными материальными ресурсами. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к природному сырью. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40 % потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10-30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями и, кроме того, уменьшить загрязнение окружающей среды.
Шлаки черной металлургии –побочный продукт при выплавке чугуна из железных руд (доменные, мартеновские, ферромарганцевые). Выход шлаков очень велик и составляет от 0,4 до 0,65 т на 1 т чугуна. В их состав входит до 30 различных химических элементов, главным образом в виде оксидов. Основные оксиды: SiO2, Аl2О3, CaO, MgO. В меньших количествах присутствуют FeO, MnO, P2O5, ТiO2, V2O5 и др. Состав шлака зависит от состава кокса, пустой породы и определяет особенности применения шлака.
В производстве строительных материалов используется 75 % общего количества доменных шлаков. Основным потребителем является цементная промышленность. Ежегодно она потребляет миллионы тонн гранулированного доменного шлака. Грануляция заключается в быстром охлаждении шлакового расплава, в результате чего шлак приобретает стекловидную структуру и, соответственно, высокую активность.
Сталеплавильные (мартеновские) шлаки применяются в меньшей степени. Трудности их использования связаны с неоднородностью, непостоянством химического состава.
Шлаки цветной металлургии чрезвычайно разнообразны по составу. Наиболее перспективное направление их использования – комплексная переработка: предварительное извлечение цветных и редких металлов из шлака; выделение железа; использование силикатного остатка шлака для производства строительных материалов.
Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) – минеральный остаток от сжигания твердого топлива. Одна ТЭС средней мощности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн. т золы и шлака, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо, – до 5 млн. т. По химическому составу топливные золы и шлаки состоят из SiO2, AI2O3, СаО, MgO и др., а также содержат несгоревшее топливо. Используются топливные золы и шлаки всего на 3–4 % от их ежегодного выхода.
Золы и шлаки ТЭС можно использовать при производстве практически всех строительных материалов и изделий. Например, введение 100–200 кг активной золы (уноса) на 1 м 3 бетона дает возможность экономить до 100 кг цемента. Шлаковый песок пригоден для замены природного песка, а шлаковый щебень – в качестве крупного заполнителя.
Отходы горнодобывающей промышленности.
Вскрышные породы – горнорудные отходы, отходы добычи разнообразных полезных ископаемых. Особенно большое количество этих отходов образуется при добыче открытым способом. По ориентировочным подсчетам в стране ежегодно образуется свыше 3 млрд. т отходов, которые являются неисчерпаемым источником сырья для промышленности строительных материалов. Однако в настоящее время они используются лишь на 6–7 %. Вскрышные и пустые породы находят применение в зависимости от своего состава (карбонатные, глинистые, мергелистые, песчаные и т.д.).
Вскрышные породы – не единственные отходы горнодобывающей промышленности. Большое количество пустой породы поднимается на поверхность земли, и направляется в отвалы. Горнообогатительные комбинаты сбрасывают в отвалы большое количество флотационных хвостов, образующихся в частности при переработке руд цветных металлов. Отходы угледобычи и углеобогащения образуются на углеобогатительных фабриках. Для отходов угледобычи характерно постоянство состава, что их выгодно отличает от других видов минеральных отходов.
Попутнодобываемые породы и отходы промышленной переработки рудных полезных ископаемых отличаются по генезису, минеральному составу, структуре и текстуре от традиционно применяемых при производстве строительных материалов. Это объясняется существенным отличием глубин карьеров по добыче сырья для стройиндустрии (20–50 м) от современной разработки рудных месторождений (350–500 м).
Гипсовые отходы химической промышленности – продукты, содержащие сульфат кальция в той или иной форме. Научные исследования показали полноценную заменимость традиционного гипсового сырья отходами химической промышленности.
Фосфогипс – отход при производстве фосфорных удобрений из апатитов и фосфоритов. Он представляет собой CaSO4×2H2O с примесями неразложившегося апатита (или фосфорита) и неотмытой фосфорной кислоты.
Фторгипс (фторангидрит) – побочный продукт при производстве фтористоводородной кислоты, безводного фтористого водорода, фтористых солей. По составу это CaSO4 с примесями исходного неразложившегося флюорита.
Титаногипс – отход при сернокислотном разложении титансодержащих руд. Борогипс – отход производства борной кислоты. Сульфогипс получается при улавливании серного ангидрида из дымовых газов ТЭС.
Электротермофосфорные шлаки – отходы производства фосфорной кислоты, получаемой по электротермическому способу. В гранулированном виде содержат 95-98 % стекла. Основные оксиды, входящие в их состав, SiO2 и СаО. Являются ценным сырьем в производстве вяжущих веществ.
Отходы деревообработки и лесохимии.
В настоящее время в нашей стране лишь 1/6 часть древесных отходов используется в целлюлозно-бумажной промышленности и промышленности строительных материалов. Практически не используются кора, пни, вершины, ветви, сучья, а также отходы деревообработки – стружка, щепа, опилки.
Отходы целлюлозно-бумажной промышленности – осадки сточных вод и другие промышленные шламы. Скоп – продукт, получившийся в результате механической очистки сточных вод. Это грубодисперсные примеси, состоящие в основном из волокон целлюлозы и частиц каолина. Активный ил – продукт биологической очистки сточных вод, находящийся в виде коллоидов и молекул.
Отходы промышленности строительных материалов.
При получении цементного клинкера до 30 % объема обжигаемого продукта уносится с дымовыми газами из печей в виде пыли. Эта пыль может
Таблица 2.1. Отходы промышленности, используемые в производстве строительных материалов
| Отходы | Области применения и материалы |
| Шлаки черной металлургии: доменные, мартеновские, ферромарганцевые | Портландцемент (производство клинкера), портландцемент с минеральной добавкой, шлакопортландцемент, смешанные бесцементные вяжущие, заполнители для бетонов, шлаковая вата, шлакоситаллы и т.д. |
| Отходы цветной металлургии: шлаки (медеплавильных печей, никелевого производства, свинцовой шахтной плавки и т.д.), шламы (бокситовый, нефелиновый, каолиновый) | Вяжущие автоклавного твердения, песок и щебень, портландцемент (производство клинкера), нефелиновый цемент, материалы для укрепления грунтов, огнеупоры, теплоизоляционные материалы и т.д. |
| Золы и шлаки тепловых электростанций | Вяжущие, пористый гравий, газобетон, силикатные изделия, добавки к керамике и т.п. |
| Вскрышные породы: вскрышные и пустые породы, хвосты обогащения и т.д. | Портландцемент (производство клинкера), воздушная известь, минеральная вата, стекло, пигменты, керамический кирпич, силикатный кирпич, заполнители для бетонов и т.д. |
| Отходы угледобычи и углеобогащения: коксохимических предприятий, углеобогатительных фабрик, шахтные негорелые породы | Пористый заполнитель для бетона, керамический кирпич, материалы для строительства дорог |
| Гипсовые отходы химической промышленности: фосфогипс, фторгипс, титаногипс, борогипс, сульфогипс | Замена традиционного гипсового сырья |
| Отходы древесины и лесохимии: кора, пни, вершины, ветви, сучья, горбыль, стружки, щепа, опилки, лигнин, скоп и т.д. | Арболит, фибролит, ДВП, ДСП, столярные плиты, опилкобетон, ксилолит, клееные изделия, щитовой паркет, дрань, лигноуглеводные древесные пластики, королит, блоки из сучков, плиты из цельной коры, выгорающие добавки, пластифицирующие добавки, отделочные материалы, кровельный картон и т.д. |
| Отходы промышленности строительных материалов: цементная пыль, каменная пыль, крошка, кирпичный бой, бракованный и старый бетон | Портландцемент, заполнители для бетона, минеральный наполнитель, добавки, смешанные вяжущие вещества и т.д. |
| Пиритные огарки | Портландцемент (корректирующая добавка) |
| Электротермофосфорные шлаки | Портландцемент (компонент сырьевой смеси), ШПЦ, сульфатостойкий ШПЦ, литой щебень, шлаковая пемза, стеновая керамика (компонент шихты) |
| Прочие отходы и вторичные ресурсы: стекольный бой и отходы стекла, макулатура, тряпье, изношенные шины и т.д. | Стекло, наполнитель для асфальта, добавка при производстве стеновой керамики, пористый заполнитель для бетона, кровельный картон, изол, фольгоизол и т.д. |
возвращаться в производство, а также использоваться в производстве вяжущих веществ.
Кирпичный бой, старый и бракованный бетон используются в качестве искусственного щебня. Бетонный лом – отход предприятий сборного железобетона и сноса строительных объектов. Огромные объемы реконструкции жилого фонда, промышленных предприятий, транспортных сооружений, автодорог и т.д. ставят важную научно-техническую задачу по переработке отходов бетона и железобетона. Разработаны различные технологии разрушения строительных конструкций, а также специальное оборудование для переработки некондиционного бетона и железобетона.
Прочие отходы и вторичные ресурсы – отходы и бой стекла, макулатура, резиновая крошка, отходы и попутные продукты производства полимерных материалов, попутные продукты нефтехимической промышленности и т.д.
Важнейшие виды строительных материалов, получаемые из вышеперечисленных отходов промышленности, приведены в табл. 1.
Производство цемента и стекла
Урок раскрывает свойства соседнего с углеродом элемента четвертой группы Периодической системы – кремния. В уроке рассматриваются свойства кремния и некоторых его соединений: оксида кремния, кремниевой кислоты и силикатов.
I. Учебный фильм: “Кремний”
II. Строение атома
Кремний открыл и получил в 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.
Второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). Встречается в соединениях.
III. Аллотропия кремния
Известен аморфный и кристаллический кремний.
Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см 3 , t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.
Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.
Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см 3 , более реакционноспособен.
IV. Получение кремния
1) Получение в промышленности: нагревание угля с песком:
2C + SiO2 t ˚ → Si + 2CO
2) Получение в лаборатории:
2Mg + SiO2 t ˚ → Si + 2MgO
V. Химические свойства
Типичный неметалл, инертен.
1. Как восстановитель:
1) Взаимодействие с кислородом
2) Взаимодействие с фтором (без нагревания)
3) Взаимодействие с углеродом
Si 0 + C t ˚ → Si +4 C
(SiC - карборунд - твёрдый; используется для точки и шлифовки)
4) С водородом не взаимодействует
Силан (SiH4) получают разложением силицидов металлов кислотой:
Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:
6) Взаимодействие со щелочами (при нагревании):
2. Как окислитель:
7) Взаимодействие с металлами (образуются силициды):
Si 0 + 2Mg t ˚ → Mg2Si -4
VI. Применение кремния
Кремний широко используется в электронике как полупроводник. Добавки кремния к сплавам повышают их коррозионную стойкость. Силикаты, алюмосиликаты и кремнезем – основное сырье для производства стекла и керамики, а также для строительной промышленности.
VII. Соединения кремния
1. Силан - SiH4Физические свойства: Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.
Химические свойства:
2. Оксид кремния (IV) - (SiO2)n
Кристаллическая решётка оксида кремния (IV) – атомная и имеет такое строение:
(основная часть глины) (полевой шпат)
Физические свойства: твёрдое, кристаллическое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C
Химические свойства:
Кислотный оксид. При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:
1) Взаимодействие с основными оксидами:
2) Взаимодействие со щелочами:
3) С водой не реагирует
4) Взаимодействие с солями:
5) Взаимодействие с плавиковой кислотой:
(реакции лежат в основе процесса травления стекла).
Применение:
1. Изготовление силикатного кирпича
2. Изготовление керамических изделий
3. Получение стекла
3. Кремниевые кислоты
x = 1, y = 1 H2SiO3 - метакремниевая кислота
x = 1, y = 2 H4SiO4 - ортокремниевая кислота и т.д.
Физические свойства: H2SiO3 - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.
Получение:
Действие сильных кислот на силикаты: Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3↓
Химические свойства:
При нагревании разлагается: H2SiO3 t ˚ → H2O + SiO2
Соли кремниевой кислоты - силикаты.
1) Взаимодействие с кислотами:
2) Взаимодействие с солями:
3) Силикаты, входящие в состав минералов, в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV) - выветривание горных пород:
Применение соединений кремния
Природные соединения кремния - песок (SiO2) и силикаты используются для производства керамики, стекла и цемента.Керамика
Фарфор = каолин+ глина + кварц + полевой шпат. Родина фарфора – Китай, где фарфор известен уже в 220г. В 1746 г – налажено производство фарфора в России
Фаянс - от названия итальянского города Фаэнца. Где в 14-15веках было развито керамическое ремесленничество. Фаянс – отличается от фарфора большим содержанием глины (85%), более низкой температурой обжига.
Стекло – хрупкий, прозрачный материал, способен размягчаться и при застывании принимает любую форму. Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах.
Основные реакции, протекающие при плавке шихты
При добавлении оксида свинца получают хрусталь.
Это интересно: «Как было открыто стекло»
Тысячи лет известно человеку стекло. Долгое время оно использовалось для украшения и изготовления драгоценных вещей. Но по-настоящему стекло стало полезным для всех, когда люди научились использовать главное его качество — прозрачность.
Никто в точности не знает, когда и где было впервые получено стекло, хотя известно, что оно использовалось с древнейших времен. Первобытные люди уже были знакомы с ним и обращали внимание на оплавившиеся после удара молнии камни, покрытые гладкой и вязкой стекловидной массой. В I веке до н.э. в Сирии был изобретен способ варки прозрачного, бесцветного стекла и выдувная трубка. Ее применение открыло новые возможности для широкого изготовления дешевой стеклянной посуды. Несколько позже сирийские мастера перенесли свое искусство стеклоделия в Италию.
Главные компоненты для изготовления стекла — песок, содовая зола, или поташ и известь, расплавленные вместе при высокой температуре. А так как все эти материалы широко распространены на Земле, секрет изготовления стекла мог быть обнаружен во многих странах. Поэтому единое мнение на этот счет отсутствует. Согласно одной из существующих версий, честь открытия стекла принадлежит древним финикийцам. Команда какого-то корабля, утверждает легенда, высадилась на берег реки в Сирии. Желая приготовить себе обед на огне, они не нашли больших камней, чтобы поставить на них горшок, и использовали для этой цели крупные куски селитры (соединения натрия) из груза корабля. От сильного жара селитра расплавилась, соединилась с окружающим песком и потекла струей
жидкого стекла! Дело читателя — верить этому рассказу или нет, но бесспорно, что Сирия была одним из первых мест изготовления стекла на Земле. А финикийские торговцы продавали изделия из стекла во всех средиземноморских странах.
Другой страной, где изготовление стекла было известно издревле, был Египет. Стеклянные бусы и амулеты находили в гробницах, которые относятся к 7000 году до н.э. Впрочем, эти изделия могли попасть туда и из Сирии. Но мы точно знаем, что около 1500 года до н.э. египтяне делали собственное стекло. Для этого они использовали смесь измельченной кварцевой гальки с песком. Они также обнаружили, что если прибавить к этой смеси кобальт, медь или марганец, то можно получить стекло голубого, зеленого, пурпурного цвета.
После 1200 года до н.э. египтяне научились отливать стекло в стеклянных формах. Но трубка для выдувания стекла была неизвестна вплоть до начала христианской эры, когда ее изобрели финикийцы.
Большими умельцами по части изготовления стекла были римляне, которые, видимо, первыми начали делать тонкие оконные стекла. А к началу новой эры оконное стекло уже стало предметом повседневного быта!
Как и когда научились делать оконное стекло?
Техника римского стеклоделия была разнообразна. Выдувание из трубки стекла делалось с применением форм и без них. Изготавливали разнообразные фигурные сосуды из стекла, большинство из них составляло наиболее массовую продукцию. Усложнялись и приемы орнаментации стеклянных сосудов.
Изобретение на Востоке прозрачного и бесцветного стекла связано с еще одним большим достижением римлян: они изобрели способ изготовления плоского стекла, которое можно было бы вставлять в окна. Это случилось уже в I веке нашей эры. Для изготовления оконных стекол применяли деревянные формы-рамы. Их предварительно смягчали водой и затем выливали в них горячую стеклянную массу, растягивая ее щипцами до краев рамы. Поэтому края плоских оконных стекол, изготовленных таким способом, закругленные и слегка утолщенные. Обычный размер римского оконного стекла квадратной формы — 30-40 см. Но известны плоские оконные стекла и больших размеров. В Помпеях археологи обнаружили бронзовые оконные рамы с остатками стекла размером почти метр на метр и толщиной стекла в 13 мм.
Цемент – мелко измельчённый клинкер с минеральными добавками.
Клинкер - шарики тёмно-серого цвета получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах
Это интересно: «Почему цемент затвердевает?»
Цемент — один из наиболее распространенных материалов в современном строительстве. Сам по себе он мелкий порошок. Но если его смешать с водой и дать затвердеть, он вместе с песком и гравием превращается в твердое, прочное вещество.
Цемент — главное составляющее вещество строительного раствора и бетона. Строительный раствор — это смесь цемента, песка и воды. Бетон — это та же самая смесь, но с добавлением гравия или измельченного камня.
Современный цемент производится путем нагревания известняка и глины или шлака до очень высокой температуры. Эта смесь нагревается до тех пор, пока не образовываются большие, спекшиеся куски. Их называют клинкерами. Клинкеры размалывают затем в порошок.
Когда вода добавляется к цементному порошку, происходят сложные химические реакции. В результате образуется стойкий искусственный камень, нерастворимый в воде.
Какая химическая реакция происходит, чтобы цемент затвердел?
У химиков нет точного ответа на этот вопрос. В состав цемента входит четыре компонента. Считают, что каждый из этих компонентов при добавлении воды превращается в кристаллы. Эти кристаллы сцепляются между собой, и цемент затвердевает.
Вид цемента, который затвердевает под водой, называется гидравлическим цементом. Удивительно то, что римляне открыли процесс получения гидравлического цемента в III—II веке до н.э. Они делали такой цемент путем смешивания вулканического пепла с известью. Это открытие было одним из выдающихся достижений римлян.
К силикатной промышленности относят производство стекла, керамики и цемента.
Стекло – твердый аморфный прозрачный сплав, обычно получаемый при нагревании смесей силикатов или оксидов металлов с оксидом кремния. Нагревание производят в специальных плавильных печах. Свойства стекол зависят от состава шихты (смесь исходных веществ) и способа их изготовления. Смесь плавят в специальных печах, а затем формуют из нее изделия.
Вводя в процессе варки стекла специальные добавки, можно получить стеклокристаллические материалы – ситаллы. Ситаллы — стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стекол, и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе. Ситаллы обладают малой плотностью, высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твердостью, жаропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими ценными свойствами. Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости (подложки микросхем, корпуса приборов, химически стойкая аппаратура…
Керамикой называют материалы, изготавливаемые из огнеупорных веществ: глины с добавлением различных минеральных примесей: песка, карбидов и оксидов металлов. В зависимости от применения различают строительную, огнеупорную, химически стойкую, бытовую и техническую керамику. Строительная – это производство кирпича, черепицы, труб, кафеля. Огнеупорная – это производство футеровки (кирпичи, плитка) для доменных, сталеплавильных, стеклоплавильных печей. Химически стойкую керамику используют для химических реакторов. К бытовой относятся фарфоровые и фаянсовые изделия. Техническая применяется для изготовления подложек в микроэлектронике, изоляторов и конденсаторов в электротехнике, зажигательных свечей, термопар и т.д. Процесс изготовления керамики включает приготовление керамической массы, формование, сушка и обжиг по строго заданному режиму. Иногда керамические изделия покрывают глазурью – тонким слоем стекловидного материала. Для этого изделие покрывают слоем порошка из кварца и специальных добавок и подвергают повторному обжигу. Глазурь делает керамику водонепроницаемой и предохраняет от загрязнения.
Производство цемента. Обычный цемент (силикатный) получают обжигом смеси глины с известняком. Т.е. цемент - это смесь алюминатов и силикатов кальция. Эти смеси обычно готовят, но иногда встречается в природе известково-глинистая горная порода – мергель. При употреблении цемента как вяжущего материала его обычно смешивают с песком или другим наполнителем и (непосредственно перед использованием) добавляют воду. Такая смесь называется цементный раствор. Если добавить щебень или гравий получится бетон. Если при строительстве использовать железную арматуру получится железобетон.
Упражнения
№1. Записать схему строения, электронную и графическую формулу углерода (Карбона). Верно ли утверждение, что углерод – типичный неметалл? Почему? Какова возможная валентность углерода в его соединениях? Почему? Приведите примеры таких соединений. Какова минимальная и максимальная степень окисления углерода? Почему? Приведите примеры таких соединений.
№2. Что такое аллотропия? Какие наиболее важные аллотропические модификации Карбона вам известны? Сделайте вывод: от чего зависят свойства веществ?
№3. Что такое активированный уголь? Чем он отличается от обычного древесного угля и для чего его применяют?
№4. Напишите уравнения взаимодействия углекислого газа со следующими веществами: оксид лития, гидроксид калия, кальций. Какая из этих реакций относится к ОВР? Определите в ней окислитель и восстановитель.
№5. Назовите эти вещества. С помощью каких реакций можно осуществить следующие превращения? Запишите уравнения этих реакций.
№6. Напишите уравнения возможных реакций кремниевой кислоты со следующими веществами: оксид алюминия, гидроксид натрия, магний. Поясните, почему не все реакции возможны.
№7. Назовите эти вещества. С помощью каких реакций можно осуществить следующие превращения? Запишите уравнения этих реакций.
№8. Как определить в растворах соли угольной кислоты? Запишите соответствующие уравнения. Для чего в основном используют соли угольной кислоты?
№9Что такое стекло? От чего зависят свойства стекла? Какими уникальными свойствами обладает кварцевое стекло?
№10Дайте сравнительную характеристику состава и свойств оксидов, образованных Карбоном. Сделайте вывод: в чем причина сходства и различия между этими веществами?
№11. Запишите уравнения реакций между сажей и следующими веществами:
а) кислородом; б) железом; в) фосфором.
Что измениться в уравнениях, если вместо сажи взять графит? Обозначьте степени окисления элементов в уравнениях, определите окислитель и восстановитель. Сделайте вывод о химических свойствах углерода.
№12. Как определить в растворах соли угольной кислоты? Запишите соответствующие уравнения. Для чего в основном используют соли угольной кислоты?
Читайте также: