Минеральные вяжущие материалы (искусственный камень)

 

Немного истории

Минеральные вяжущие — это тонко измельченные минеральные порошки, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая с течением времени под влиянием физико-химических процессов переходит в камневидное состояние (приложение 4). Соответственно материалы на их основе — искусственные камни. В данном случае механические процессы обработки природного сырья (например, природного камня) в большей мере заменены химическими более простыми, производительными и экономически выгодными.

Различают две группы минеральных вяжущих: воздушные, которые после перемешивания с водой способны твердеть, сохранять и повышать свою прочность только на воздухе (гипсовые, воздушная известь, магнезиальные), и гидравлические, которые после затворения водой способны твердеть, сохраняя и повышая свою прочность не только на возухе, но и в воде. К гидравлическим вяжущим относятся цементы, гидравлическая известь.

Изобретение гидравлического вяжущего - цемента, близкого по своим характеристикам к современному, - принадлежит русскому строителю E. Г. Челиеву. После войны 812 г. встал вопрос о строительстве в Москве каменных зданий взамен Многочисленных деревянных строений уничтоженных пожаром. Соответственно потребовалось значительное количество вяжущих высокого качества. Несколько лет спустя в Англии был получен патент на изготовление гидравлического вяжущего – портландцемента, разновидности которого можно отнести к основным при изготовлении современных искусственных каменных материалов. Среди последних один из самых широко применяемых - бетон. Его массовое использование при строительстве зданий и сооружений различного функционального назначения обусловлено трудами русских ученых в конце хiх века. К этому времени относится и начало применения армированного бетона.

Основы производства

Для получения минеральных вяжущих используют следующие основные горные породы.

Светлый, иногда окрашенный примесями в серые или желтоватые цвета минерал — природный гипс (гипсовый камень) служит основным сырьем для производства гипсовых вяжущих. Реже применяют безводный гипс — ангидрит, а также гипсосодержащие отходы химической промышленности. В нашей стране имеются сотни месторождений гипсового камня промышленной значимости

Для получения основного гидравлического вяжущего —

портландцемента — чаще всего используют известняки глины и корректирующие добавки (с которыми вводится тот или иной недостающий компонент). Обычно соотношение между известняком и глиной составляет примерно 3: 1 (в частях по массе)

Производство минеральных вяжущих сводится к двум главным технологическим операциям: помол и обжиг.

Обычно стремятся хорошо измельчить сырье до обжига или продукт после обжига. Тонкость помола минеральных вяжущих влияет на свойства искусственных каменных материалов, приготовленных с их помощью. С увеличением тонкости помола увеличивается связывающая, клеящая способность пластичной массы, которая образуется после перемешивания вяжущего с водой. В результате плотность и прочность искусственного камня выше

Важнейшая операция при производстве минеральных вяжущих — обжиг сырьевых материалов Именно после обжига получается продукт, способный при соединении с водой образовывать пластичную массу твердеющую с течением времени.

Условия обжига различны. При температуре 110—160 С обжигается (часто в специальных варочных котлах) природный гипсовый камень для получения строительного гипса. При этом происходит реакция дегидратации — отдачи части воды. Если повысить температуру до 600—700°С, то получится ангидритовый цемент, при температуре до 1000 С высокообжиговый гипс (эстрих-гипс), отличающиеся по своим свойствам от строительного гипса (искусственный камень на их основе обладает, в частности, более высокими механическими характеристиками).

Обжиг сырьевых материалов для получения портландцемента (распространенный вид цемента) производят чаще всего в крупных вращающихся печах.

Основное свойство минеральных вяжущих – способность твердеть после перемешивания с определенным количеством воды.

Скорость схватывания (потеря смеси вяжущего с водой пластичности и достижение минимальной структурной прочности) и твердения минеральных вяжущих после перемешивания с водой различна в зависимости от вида рассматриваемых продуктов. Так, гипсовое тесто начинает схватываться уже через 4—5 мин, конец схватывания наступает через 10—15 мин, а 90 мин достаточно, чтобы гипсовое тесто превратилось в прочный искусственный камень. Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 мин, конец —не позднее 10 ч с момента затворения водой. Прочность цементного камня растет весьма интенсивно почти до месячного возраста.

Водопотребностъ минеральных вяжущих оказывает непосредственное влияние на свойства получаемых с их помощью искусственных каменных материалов. Если воды будет недостаточно, то смесь будет рыхлой, рассыпчатой; избыток воды приведет к получению растекающейся массы, работать с которой также затруднительно.

Искусственный камень на основе гидравлических вяжущих, прежде всего на основе цемента, обладает существенным недостатком – способностью к коррозии.

Известны сотни веществ, которые могут оказаться вредными для цементного камня, растворяя и вымывая образующийся при этом и уже заранее имеющийся гидроксид кальция.

Деформативность системы «минеральное вяжущее + вода» при твердении и изменении влажностных условий среды весьма характерна искусственный камень на основе рассматриваемых вяжущих как правило, не обладает постоянством объема при твердении При высокой влажности он набухает, а, высыхая, дает усадку.

В нашей стране разработана технология производства более 30 видов цемента, а всего в мире известны более 50 видов этого эффективного гидравлического вяжущего Например, кроме обычного портландцемента выпускается быстро-твердеющий портландцемент (БТЦ) Этот цемент отличается от обычного более интенсивным нарастанием прочности в начальные периоды твердения.

БТЦ имеет большое значение при современном индустриальном строительстве, позволяя интенсифицировать процессы производства изделий из бетона в заводских условиях.

Портландцемент с минеральными добавками (пуццолановый, шлакопортландцемент) позволяют получать искусственные камни более высокой водо- и солестойкости.

Применяя для изготовления искусственных каменных материалов разновидности портландцемента, учитывают не только их преимущества, но и возможные недостатки. Так, портландцементы с поверхностно-активными и минеральными добавками медленнее схватываются, материалы на основе декоративных портландцементов менее морозостойки.

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высоко-прочное (т.е. образующее высокопрочный искусственный камень) гидравлическое вяжущее, отличающееся по составу от портландцемента. В состав глиноземистого цемента входят преимущественно не силикаты, а алюминаты кальция, получаемые после обработки бокситов и известняков. Главный и наиболее дорогой вид сырья для получения такого цемента — бокситы (алюминиевая руда).

Применение расширяющегося цемента позволяет в ряде случаев успешно бороться с усадочными деформациями цементного камня. У нас в стране и за рубежом предложены расширяющиеся цементы, содержащие различные компоненты, способные в процессе твердения равномерно увеличивать свой объем.

Напрягающий цемент применяют для получения материалов с повышенной трещиностойкостью и плотностью, предназначенных для спортивных объектов, подводных и подземных напорных сооружений.

Основы технологии

Основные технологические операции при изготовлении материалов на основе минеральных вяжущих — дозирование, смешивание компонентов смеси, формование, обеспечение требуемой скорости твердения, в т ч тепловая или автоклавная обработка, отделка лицевой поверхности.

Весьма важным условием приготовления материалов с заданными показателями свойств, а также обеспечения стабильности этих свойств является точность дозирования компонентов. Для соответствующей операции применяют дозаторы периодического и непрерывного действия с полуавтоматическим или автоматическим управлением.

Цель процесса перемешивания — получение однородной смеси сырьевых компонентов. От однородности смеси в большей мере зависят свойства материалов: большая однородность смеси определяет более высокие эксплуатационные характеристики. В зависимости от вида и характеристик смеси сырьевых компонентов применяют различное оборудование для перемешивания. Для приготовления смеси, содержащей цемент, мелкий и крупный заполнители, большое распространение получили гравитационные бетоносмесители. Перемешивание в них достигается при вращении барабана определенной формы, на внутренней поверхности которого имеются лопасти. При вращении барабана лопасти захватывают составляющие бетонной смеси, поднимают их на некоторую высоту. При падении вниз компоненты смеси перемешиваются. Некоторые гравитационные смесители устанавливаются на автомашинах — автобетоносмесителях. На крупных централизованных растворобетонных узлах используются турбулентные смесители. В таких аппаратах сырьевые компоненты перемешиваются в различных направлениях с большой скоростью, что позволяет получать однородные смеси за сравнительно короткий промежуток времени. Производительность турбулентного смесителя, предназначенного для получения достаточно подвижных смесей, более 30 м3 в час при объеме замеса 0, 6 м3.

Качество и долговечность материалов на основе минеральных вяжущих в значительной мере определяются качеством формования (укладки) смеси. Процессы формования относят к трудоемким и энергоемким. Например, бетонная смесь, особенно жесткой консистенции, представляет собой рыхлую массу с большим количеством пустот. Поэтому недостаточно правильно подобрать состав смеси и равномерно перемещать ее составляющие необходимо произвести укладку с учетом равномерного распределения в соответствующих формах.

Для формования, в том числе уплотнения смеси сырьевых компонентов, используются различные способы в зависимости от ее состава и характеристик: вибрирование, трамбование, прессование и прокат.

Тепловая обработка материалов после формования производится с целью ускорить процесс твердения.

Большое значение на процесс твердения рассматриваемых материалов оказывает другой фактор — влажность среды. Не следует забывать, что прочность нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия минеральных вяжущих с водой. Эти процессы проходят нормаль только при определенном количестве воды. Если последняя слишком быстро испаряется, т.е. материал высыхает, то твердение прекращается. Поэтому, например, при твердении бетона в летнее время на строительной площадке, особенно в начальный период, он нуждается в определенном уходе (поливка, укрытие поверхности) для сохранения необходимого количества влаги. с этой же целью при тепловой обработке в заводских условиях используют насыщенный пар.

Автоклавная обработка определенных материалов осуществляется при повышенных давлении и температуре водяного пара. Автоклав представляет собой герметичный цилиндрический горизонтальный сварной сосуд со сферическими крышками диаметром 2—3, 6 м, длиной 19-40 м. В зависимости от вида строительного материала на основе минерального вяжущего давление в автоклаве 0, 8—1, 5 МПа, температура 174—200 °С. В этих условиях резко ускоряются процессы твердения, а при обработке ряда материалов происходит гидротермальный синтез — взаимодействие между гидроксидом кальция, кремнеземом и водой с образованием прочного искусственного камня.

Бетон — искусственный камень, полученный в результате перемешивания, формования (укладки) и последующего твердения рационально подобранной смеси минерального вяжущего, воды и заполнителей. Основную классификацию бетонов производят по средней плотности: особо тяжелый со средней плотностью выше 2 500 кг/м3, содержащий такие плотные и тяжелые заполнители, как чугунная дробь, стальные опилки и зерна, барит, тяжелый, содержащий плотные мелкие и крупные заполнители (песок, щебень или гравий) и имеющий среднюю плотность от 2200 и до 2500 кг/м3.

По функциональному назначению выделяют бетоны общего (для несущих и ограждающих конструкций жилых, общественных, промышленных зданий) и специального (теплоизоляционные, гидротехнические, для дорог) назначения.

Гипсовые материалы получают из гипсового теста (гипс + вода), минеральных или органических тонкомолотых заполнителей. Искусственный гипсовый камень армируют также минеральными или органическими волокнистыми наполнителями.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: