Сырье для стекла и цемента
Обновлено: 01.05.2024
Силикатная промышленность: производство керамики, стекла, фарфора и фаянса, а также строительных материалов: цемента и
Сырьём для керамического производства служат различного рода глины. Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гидроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью и гидрофильностью. С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы: 1) каолины, 2) огнеупорные и тугоплавкие глины, 3) высокосорбирующие глины (отбеливающие) , 4) легкоплавкие глины. Каолин также идет на изготовление фарфоровых изделий.
Диоксид кремния - основа для получения кремния, производства обыкновенного и кварцевого стекла, а также необходимый компонент керамики и абразивных материалов.
Сырьем в цементном производстве служит смесь глины с известняком. Применяют и природный мергель (глинистый известняк) , если он по составу удовлетворяет требованиям цементного производства. Основной химический процесс при производстве цемента - спекание при 1200 - 1300 оС смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция.
Сырьем в стекольном производстве служат кремнезем SiO2 и силикаты щелочных и щелочноземельных металлов. Состав стекла в общем виде может быть представлен формулой: xЭ2О. уЭО. zSiO2, где Э2О – окисел щелочного металла (Na2O, K2O, Li2O и др.) ; ЭО - окисел щелочноземельного металла (СаО, MgO, BaO) и SiO2 – кислотный окисел (кремневый ангидрид) . Окислы щелочной группы понижают вязкость и температуру плавления стекла, а также его твердость. Окислы щелочноземельной группы повышают химическую стойкость стекла, а окислы кислотной группы (SiO2, а иногда Al2O3, B2O3, P2O5 и др. ) сообщают высокую термическую, химическую и механическую стойкость.
Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической) .
Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатоообразование, стекловарение, осветление, гомогенизацию и охлаждения («студку») .
Нетрудно понять, что в будущем применение силикатов станет еще большим. Металлов в земной коре не так уж много. Углерод, который служит основой органических полимеров и пластмасс, составляет всего лишь 0,1% земной коры по массе. Производство древесины ограничено скоростью прироста леса. А использование силикатов практически не ограничено ничем. По силикатному сырью, можно сказать, мы ходим. Правда имеется существенный недостаток у силикатных изделий. Они обладают большой хрупкостью, но этот недостаток в принципе преодолим. Ведь изобрели же японцы небьющийся фарфор. А на сковородках из мелкокристаллического стекла – ситалла еще двадцать лет назад жарили картошку. Прочность таких сковородок близка к чугунным, и бьются они значительно меньше, чем обычное стекло.
Впрочем, о силикатах можно говорить бесконечно. Сведений о них так много, что химия силикатов давно выделилась в большую самостоятельную отрасль химического знания.
Соль кремниевой кислоты, сырье для изготовления стекла, кирпича, керамики
АН СССР: Института геологии и геохронологии докембрия и Института химии силикатов, носящего имя его организатора - академика И.
Несмотря на трудности поисков основных радикалов в других силикатах, Вернадский не сомневался, что эта задача будет решена позднее с помощью микрокристаллографии и кристаллохимии, основы которой были созданы тогда Е.
Все метеориты, -- пояснил Корки, -- это различные сочетания железоникелевых сплавов, силикатов и сульфидов.
Насколько вероятно найти какие-нибудь подходящие силикаты, чтобы изготовить стекло?
Хорошо, я попробую найти какие-нибудь силикаты, - пообещал Мак-Аран, пытаясь вспомнить, на каком месте в морэевском списке приоритетов стояло производство стекла.
Проверьте 2
Какие природные и химические материалы служат сырьём для производства цемента, стекла, керамики?
Сырьё для производства цемента: известняк (CaCO3), глина (SiO2, Al2O3 и незначительное кол-во Fe2O3), гипс (CaSO4∙2H2O).
Сырьё для производства стекла: сода (Na2CO3), известняк (CaCO3), песок (SiO2).
Сырьё для производства керамики: глина (SiO2, Al2O3 и незначительное кол-во Fe2O3).
Сырье для стекла и цемента
Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Раздел 11. ПОДГРУППА КАРБОНА
§ 11.9. Производство стекла и цемента
Из искусственных силикатов больше значение имеют стекло, цемент и керамика .
Стекло. Состав обычного оконного стекла приближенно выражается формулой Na 2 O СаО ∙ 6 SiO 2 .
Стекло добывают сплавлянням в специальных печах смеси соды Nа2СО3, известняка СаСО3 и белого песка SiO 2 . Химизм процесса можно представить так: при сплава образуются силикаты натрия и кальция:
Эти силикаты и кремнезем (его берут в избытке) сплавляют в массу, которая постепенно охлаждается:
Часто в производстве стекла соду заменяют сульфатом натрия и углем. В этом случае силикат натрия образуется по уравнению реакции:
Для изготовления специального стекла меняют состав исходной смеси. Заменяя соду Nа2СО3 поташом К2СО3, получают тугоплавкое стекло (для химического посуды). Заменяя мел СаСО3 оксидом свинца(II) Г b О, а соду - поташом, добывают хрустальное стекло. Оно имеет большую променезалом - лювальну способность и применяется для изготовления художественной посуды.
Добавки оксидов металлов в исходной смеси придают стеклу различной окраски: оксид хрома(III) С r 2 О3 - зеленого, оксид кобальта(II) СоО - синего, оксид марганца(И V ) М n О2 - красновато-лилового и т. д. Стекло при повышении температуры постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние. Обратный процесс также осуществляется постепенно - стеклянная масса загустевает по мере остывания. На этом свойстве стекла основывается формирование с него различных изделий. С помощью машин из стеклянной массы извлекают листовое стекло (рис. 11.4).
Из стекла изготавливают волокна и ткани для технических нужд. Освоен выпуск склокристалічних материалов - ситаллов, которые по сравнению со стеклом имеют большую прочность. Из них изготавливают электрические изоляторы, посуду и др. Цемент. Обычный силикатный цемент, или портландцемент,- зеленовато-серый порошок, который при смешивании с водой затвердевает на воздухе (или в воде), превращаясь в каменеподібну массу. Конечно его добывают прокаливанием (1 400-1 600°С) до спекания сырьевой смеси, состоит из известняка и глины.
Прокаливание осуществляется в специальных цилиндрических вращающихся печах. Испеченная зернистая масса, образуется, называется клинкером. Это - полуфабрикат. Клинкер с соответствующими добавками размалывают до тонкого порошка в шаровых мельницах и получают окончательный продукт.
В природе встречаются породы, которые содержат известняк и глину в соотношениях, необходимых для добывания портландцементу. их называют мергелями. Значительные залежи мергеля в районе Новороссийска; на их основе работают крупные цементные заводы.
Смесь сырья готовят и искусственным способом. Регулируя состав смеси, получают различные виды цемента - швидкотвердіючі, морозостойкие, коррозионностойкие и др.
Из смеси цемента, воды и наполнителей (песок, гравий, щебень, шлак) после их затвердевания получают искусственный камень - бетон. Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью. При затвердевании цементное тесто связывает зерна заполнителей. Твердение происходит даже в воде. Бетон со стальной арматурой (внутренним каркасом) называется железобетоном. Бетон и залізобетони в значительных количествах идут на сооружение гидроэлектростанций, дорог, несущих конструкций зданий.
Разработаны и изготавливаются также бетоны, в которых в качестве вяжущего используются органические полимеры или полимеры вместе с цементом. Это так называемые пластобетони, имеющие особые свойства.
Рис. 11.4. Машина для вытягивания листового стекла:
1 - расплавленное стекло; 2 - лодочка; 3 - вальцы; 4 - стеклянная лента
Производство стекла, цемента и керамики относится к силикатной промышленности, которая перерабатывает природные соединения кремния.
1 Керамикой называют материалы и различные изделия, которые изготавливают из природных глин путем формования, сушки и выжигание. Это кирпич, облицовочные плитки, черепица, трубы, глиняная посуда, фарфоровые и фаянсовые изделия.
Сырье для стекла и цемента
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.
Растворимое стекло и кислотоупорный цемент: описание,виды,фото
Жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и жаростойких замазок и бетонов, а также как связующее в силикатных красках (только калиевое стекло).
Кислотоупорный цемент изготовляют из тонко измельченной смеси кислотоупорного наполнителя (кварца, диабаза, андезита и т. п.) и ускорителя твердения — кремнефтористого натрия Na2SiF6. Название «цемент» для такого порошка имеет условный характер, так как сам он вяжущими свойствами не обладает и при смешивании с водой не твердеет. Вяжущим веществом в таких цементах является жидкое стекло, которым этот «цемент» и затворяют.
Основным достоинством и отличием кислотоупорного цемента от других неорганических вяжущих является способность работать в условиях действия большинства кислот (за исключением плавиковой и фосфорной).
Кислотостойкость — сохранение массы при испытании в кислоте — не менее 93 %.
Однако при длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность.
Воздушная известь
Известь известна человечеству не одно тысячелетие и все это время активно используется им в строительстве и многих других отраслях. Это объясняется доступностью сырья, простотой технологии и достаточно хорошими свойствами извести.
Сырьем для получения извести служат широко распространенные осадочные горные породы: известняки, мел, доломиты, состоящие преимущественно из карбоната кальция (СаСО3). Если куски таких пород прокалить на огне, то карбонат кальция перейдет в оксид кальция:
Производство.
Недожог (неразложившийся СаСО3), получающийся при слишком низкой температуре обжига, снижает качество извести, так как не гасится и не обладает вяжущими свойствами.
Пережог образуется при слишком высокой температуре обжига в результате сплавления СаО с примесями кремнезема и глинозема. Зерна пережога медленно гасятся и могут вызвать растрескивание и разрушение уже затвердевшего материала.
Куски обожженной извести — комовая известь — обычно подвергают гашению водой:
Выделяющаяся при гашении теплота резко повышает температуру извести и воды, которая может даже закипеть (поэтому негашеную известь называют кипелкой).
При гашении куски комовой извести увеличиваются в объеме и распадаются на мельчайшие (до 1 мкм) частицы.
Виды воздушной извести.
По содержанию оксидов кальция и магния воздушная известь бывает:
• кальциевая — MgO не более 5 %;
По виду поставляемого на строительство продукта воздушную известь подразделяют на негашеную комовую (кипелку), негашеную порошкообразную (молотую кипелку) и гидратную (гашеную, или пушонку).
По скорости гашения комовая известь бывает:
Гашение извести можно производить как на строительстве объекта, так и централизованно. В последнем случае гашение совмещается с мокрым помолом непогасившихся частиц, что увеличивает выход извести и улучшает ее качество.
Воздушная известь — единственное вяжущее, которое превращается в тонкий порошок не только размолом, но и путем гашения водой.
Колоссальная удельная поверхность частиц Са(ОН)2 и их гидрофильность обусловливает большую водоудерживающую способность и пластичность известкового теста. После отстаивания известковое тесто содержит около 50% твердых частиц и 50% воды. Каждая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играющей роль своеобразной смазки, что обеспечивает высокую пластичность известкового теста и смесей с использованием извести.
По окончании гашения жидкое известковое тесто через сетку сливают в известехранилище, где его выдерживают до тех пор, пока полностью не завершится процесс гашения (обычно не менее двух недель). Известковое тесто с размером непогасившихся зерен менее 0,6 мм можно применять сразу. Крупные непогасившиеся зерна опасны тем, что среди них могут быть пережженные зерна (пережог).
Содержание воды в известковом тесте не нормируется. Обычно в хорошо выдержанном тесте соотношение воды и извести около 1:1.
Твердение.
Известковое тесто состоит из насыщенного водного раствора Са(ОН)2 и мельчайших нерастворившихся частиц извести; По мере испарения из него воды образуется пересыщенный раствор Са(ОН)2, из которого выпадают кристаллы, увеличивающие содержание твердой фазы. При этом происходит усадка твердеющей системы, которая в определенных условиях (например, при твердении известковой смеси на жестком основании — штукатурный слой) может вызвать растрескивание материала. Поэтому известь всегда применяют с заполнителями (например, известково-песчаные растворы) или в смеси с другими вяжущими для придания материалу пластичности.
Известковое тесто, защищенное от высыхания, неограниченно долго сохраняет пластичность, т. е. у такой извести «отсутствует» процесс схватывания. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние (известь — неводостойкий материал).
Однако при длительном твердении (десятилетия) известь приобретает довольно высокую прочность и относительную водостойкость (например, в кладке старых зданий). Это объясняется тем, что на воздухе известь реагирует с углекислым газом, образуя нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т. е. как бы обратно переходит в известняк:
Процесс этот очень длительный, и полной карбонизации извести практически не происходит.
Применение, транспортирование, хранение.
Воздушную известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов как самостоятельное вяжущее, так и в смеси с цементом; при производстве силикатного кирпича и силикатобетонных изделий; для получения смешанных вяжущих (известково-шлаковых, известково-зольных и др.) и для красок.
Комовую известь транспортируют навалом в закрытых вагонах и автомашинах, порошкообразную — в бумажных мешках, а также в специальных автоцистернах. В таких же цистернах перевозят пушонку и известковое тесто.
Хранят комовую известь в сараях с деревянным полом, поднятым над землей на 30 см. Недопустимо попадание на известь воды, так как это может вызвать ее разогрев и пожар. На складах извести тушение пожара водой запрещается.
Что такое минеральные вяжущие вещества
Минеральные вяжущие – это тонкоизмельченные минеральные порошки, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая с течением времени под влиянием физико-химических процессов переходит в камневидное состояние.
Это свойство вяжущих используют для скрепления зерен заполнителей и получения искусственных каменных материалов (бетонов, растворов и т.д.)
Минеральные вяжущие – неорганические вещества. Способность смачиваться водой, гидрофильность – один из основных признаков (в отличие от органических – битумы, дегти)
Различают две группы минеральных вяжущих:
Воздушные вяжущие характеризуются тем, что, будучи смешанными с водой, способны твердеть, т.е. переходить из жидкого и тестообразного в
Рис.1. Минеральные вяжущие
камневидное состояние, долго сохранять и повышать свою прочность только на воздухе.
Гидравлические вяжущие вещества после затворения их водой способны твердость, а после предварительного твердения на воздухе продолжать наращивать свою прочность в воде
-портландцемент и его разновидности
-глиноземистый и расширяющиеся цементы
Для получения гипсовых минеральных вяжущих веществ используют следующие основные сырьевые материалы:
-гипсосодержащие отходы химической промышленности
Для получения основного гидравлического вяжущего – портландцемента чаще всего используют:
Обычное соотношение между известняком и глиной 3:1.
Получение минеральных вяжущих веществ сводится к двум технологическими операциями:
С увеличением тонкости помола увеличивается связывающая, клеящая способность пластичной массы, которая образуется после перемешивания вяжущего с водой. В результате выше плотность и прочность искусственных камней.
При этом происходит реакция дегидратации – отдачи части воды:
При t=900-1200 0 C обжигаются известняковые породы для получения воздушной извести. После диссоциации карбонатов и удаления углекислого газа объем кусков не меняется, а их масса уменьшается примерно в 2 раза. После обжига получаются легкие пористые куски белого цвета состоящие в основном из оксидов кальция и магния (CaO, MgO).
Полученный продукт – комовую негашеную известь – подвергают помолу или гашению путем затворения водой.
Обжиг сырья для получения портландцемента производят во вращающихся печах (Ø 5м; l=185 м,1800 т/сутки; Ø7 м, l=230 м, 3000 т/сутки).
Смесь сырьевых материалов, перемещаясь вдоль барабана вращающейся печи, соприкасается с горячими газами, идущими навстречу. Температура обжига в начальной стадии 100-600 0 C, а в последней зоне печи достигает 1450 0 C, т.е. температура больше, чем при получении воздушных вяжущих.
Клинкер не является химическим индивидуумом по составу, он характеризуется наличием, прежде всего силикатов и алюминатов кальция и представляет собой систему из нескольких искусственных минералов подобно тому, как гранит состоит из нескольких природных материалов.
Но, в отличие от гранита, составные части клинкера нельзя различать невооруженным глазом, так как клинкер состоит из тонкозернистых и аморфных фаз.
Далее клинкер подвергают помолу (в шаровых мельницах) и получают готовый продукт – цемент.
При помоле к клинкеру обычно добавляют гипс (1,5-3,5%) и другие активные минеральные компоненты. Самый распространенный вид цемента – портландцемент, может содержать до 15% по массе клинкера активных минеральных добавок.
Реакции, происходящие при твердении минеральных вяжущих – главным образом реакции гидратации, присоединения частей воды.
При твердении воздушных вяжущих образуются соединения, которые растворимы в воде. Поэтому стройматериалы на основе гипса, воздушной извести, магнезиальных вяжущих требуется защищать от действия влаги.
Гидратные соединения, образующиеся при твердении гидравлических вяжущих, водонерастворимы. Поэтому гидравлические вяжущие с успехом твердеют как на воздухе, так и в воде.
Скорость схватывания и твердения минеральных вяжущих, после перемешивания с водой различна в зависимости от вида рассматриваемых продуктов.
Гипсовое тесто начинает затвердевать (терять пластичность) уже через 4-5 минут, конец схватывания наступает через 10-15 минут, а 90 минут достаточно, чтобы гипсовое тесто превратилось в прочный искусственный камень.
Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 минут, конец не позднее 10 часов. Прочность цементного камня растет интенсивно почти до месячного возраста.
Водопотребность минеральных вяжущих оказывают непосредственное влияние на свойства искусственных каменных материалов.
Водопотребность определяет то количество воды, которое необходимо, чтобы при перемешивании с вяжущим получит удобоукладываемую смесь (т.е. смесь с которой удобно работать и которой будет твердость с течением времени).
Для протекания химических реакций достаточно 20% воды по массе, а для удобства работы 60-70% (укладки, уплотнения)
Искусственный камень на основе гидравлических вяжущих обладает существенным недостатком – способностью к коррозии.
Коррозия может вызываться сотнями веществ, вредными для цементного камня. Даже обычная чистая вода является агрессивной средой.
Защита от коррозии
1) соответствующий подбор состава цемента
2) применение специальных добавок, связывающих свободную известь, повышающую плотность и однородность цементного камня
3) применение защитных покрытий или пропитки.
Прочность отвердевшей системы «минеральное вяжущее + вода» оценивается в определенном возрасте в зависимости от вида вяжущего.
Пределы прочности при сжатии: 400, 500, 550, 600 кгс/см 2
Деформативность системы «минеральное вяжущее + вода» при твердении и изменении влажностных условий среды весьма характерна. Искусственный камень при твердении не обладает постоянством объема. При высокой влажности он набухает, а, высыхая, дает усадку.
В России разработаны технологии производства более 30 видов цемента, всего в мире известно более 50 видов.
Кроме обычного портландцемента выпускается быстротвердеющий портландцемент (БТЦ). Этот цемент отличается более интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения. Это достигается более тонким помолом, регулированием его химического и минералогического состава. Клинкер содержит 60-65 % 3СаО*SiO2 и 3СаО*AlO3 и ограниченное число (0,5 %) свободной СаО.
Все большую значимость приобретают портландцементы с поверхностно-активными добавками:
повышенная подвижность, удобоукладываемость бетонной смеси, повышенная морозостойкость
добавки образуют на зернах цемента, мономолекулярный пленки, уменьшенная способность цемента смачиваться водой.
Разновидности цементов:
1. Сульфатостойкий цемент – его минералогический состав:
Обладает повышенной морозостойкостью в сульфатных средах
3. Цветные получают путем совместного помола клинкера белого цвета с красителями охрой, железным суриком, ультрамарином, сажей, и т.д.
4. Пуццолановый цемент.
5. Шлакопортландцемент с активными минеральными добавками (обожженная глина, диатомит). Более высокая водостойкость и солестойкость.
6. Глиноземистые цементы.
9. Напрягающий цемент – для получения материалов с повышенной трещиностойкостью и плотностью.
Бетоны
К стройматериалам на основе минеральных вяжущих относятся бетонные и железобетонные строительные растворы, силикатный кирпич, гипсовые материалы, асбестоцементные.
Бетон– искусственный камень, полученный в результате перемешивания, формования (укладки) и последующего твердения рационально подобранной смеси минерального вяжущего, воды, крупного и мелкого заполнителей.
Основную классификацию бетонов производят по средней плотности:
1. особо тяжелый ρ >2600 кг/м 3 , содержит такие плотные и тяжелые заполнители как чугунная дробь, стальные опилки, и т.д.
2. тяжелый 2000-2600 кг/м 3 (песок, щебень или гравий)
3. облегченный 1800-2000 кг/м 3 (кирпичный щебень)
4. легкий 1200-1800 кг/м 3 (керамзитовый гравий, вспученный перлит, вермикулит шлаковая железа и т.д.)
Особо легкий ρср<1200 кг/м 3 имеет ячеистую или крупнопористую структуру. Пористость П=80-90 %.
Классификация по виду вяжущего:
1. Цементные бетоны
2. Силикатные – на известковых вяжущих в сочетании с силикатными и алюминатными компонентами
4. На органичных вяжущих
По функциональному назначению:
1. Обычные (для несущих и ограждающих конструкций)
2. Специальные (декоративные, дорожные, гидротехнические)
По месту укладки:
Свойства бетонов.
Для придания бетонам газонепроницаемости на поверхность наносят газонепроницаемые пленки, например из пластмассы.
6) Усадка и расширение бетонов
Твердение на воздухе сопровождается уменьшением V, т.е. усадкой. При твердении в воде вначале его V несколько увеличивается. Наибольшую усадку дают бетоны с большим расходом цемента, и большим В:Ц.
Наибольшая усадка происходит в первые сутки твердения (60-70 %).
Для снижения усадки нужно использовать белые цементы, уменьшать количество воды при затворении, применять крупные заполнители из плотных пород, а также соблюдать влажностный режим твердения бетона.
Расширение бетона может произойти при выделении тепла при экзотермических реакциях цемента с водой в первый период твердения. Расширение бетона может вызвать значительные деформации, и даже появление трещин. Чтобы избежать этого в массивных бетонных к. делают температурные швы.
7) Свойства бетона в агрессивной среде и меры защиты
-применение защитных покрытий (облицовка керамическими плитками или камнями)
8) Бетон является огнестойким материалом. Некоторые виды бетонов могут выдерживать t=600 0 C (жароупорные бетоны)
При применении бетонных конструкций подвергаемых длительному воздействию высоких t 0 C, необходимо учитывать, что при t=150-200 0 C бетон на портландцементе теряет прочность на 25%.
Рис.4 Бетон В7,5(М100) – В30(М400)
Приготовление бетонной смеси.
Основные технологические операции:
1) дозирование осуществляется дозаторами (мерниками) периодического или непрерывного действия (по весу, по V);
2) перемешивание в бетоносмесителях гравитационного действия, бетономешалках с принудительным перемешиванием .
В гравитационных бетоносмесителях перемешивание достигается вращением барабана, на внутренней поверхности которого есть лопасти. При вращении лопасти захватывают составляющие бетонной смеси, поднимают на некоторую высоту, при падении вниз компоненты перемешиваются.
В бетоносмесителях принудительного действия материалы перемешиваются в неподвижном смесительном барабане при помощи вращающих лопастей, насаженных на вал → транспортирование (контейнерами, бункерами, вагонетками, бадьями, автосамосвалами) → укладка → уплотнение (прессование, вибрирование, прокат, трамбование, вакуумирование, центрифугирование).
Растворы
По составу строительный раствор является мелкозернистым бетоном, и ему свойственны закономерности, которые присущи бетонам.
Классифицируют по объёмной массе, виду вяжущего вещества, назначению, по физико-механическим свойствам.
По объёмной массе:
Рис.5 Тяжелые растворы
По виду вяжущего вещества:
По назначению:
Искусственный мрамор (штук) изготовляют из обожженного и измельченного гипса с квасцами и клеем, иногда с добавлением мраморной пудры. После затвердевания поверхность многократно шлифуют и полируют до зеркального блеска.
Рис.7. Искусственный мрамор
Терразит – минеральные вяжущие + тонкомолотый мрамор + минеральный краситель + слюда
По физико-механическим свойствам:
Состав раствора выражается количеством материалов по массе или объему, приходящихся на 1 м 2 растворной смеси.
Например,1:6 (т.е. на 1 часть по массе или V вяжущего приходиться 6 частей песка).
Смешанные растворы 1:0,4:5 (песок + вяжущее (цемент)+известь (или глина))
Сырье для стекла и цемента
Переработка, захоронения, обезвреживания и сбор промышленных отходов является одной из актуальных проблем окружающей среды. С экономической стороны вторичная переработка отходов невыгодна для хозяйствующих субъектов. Однако используя отходы можно решать несколько экологических проблем, как экономии значительного количества топлива и энергии и сохранение природных ресурсов.
Наиболее ценными вторичными ресурсом является стеклянный бой. Переработка стеклянного боя экономически выгодна и объемных энергетических затрат не требует. Результатами реализации вторичной переработки стеклобоя решаются следующие задачи:
− эстетическая это − возможные внедрение раздельного сбора может предполагать эксплуатацию контейнеров и мусоровозов, которые более пропорционально вмещается в развитию города;
− экологическая − уменьшение использования природных ресурсов за счет того что можно делать возврат в производство и продление срока действия полигонов твердо-бытовых;
− экономическая это − главным образом, получение дохода от реализации и использования вторичных отходов и удешевление бетона за счет использования стеклобоя (вторичное сырье), а также усовершенствование физико-механических свойств бетона[1].
Актуальность исследовательской работы является утилизация отходов стекла и применить стеклобой для изготовлений высокопрочного бетона.
Главной задачей является исследовать возможность замещения части цемента в составе тяжелого бетона с мелкодисперсным стеклом.
Бетон самый распространённый материал используемый в строительстве. Он является сложным композиционным материалом, состоящий из цементного вяжущего, воды, минеральных заполнителей и модифицирующих добавок[2].
Для получения высокопрочного бетона необходимо соблюдать пропорциональность состава к другим используемым материалам, как песок, цемент, щебень и вода. А как напонитель используем измельченное стекло. Так как тонкомолотое стекло будет использован в виде наполнителя вместо цемента, сходство структур стекла и цемента немало важно (Талица 1).
Читайте также: