Физико-химические основы технологии производства минеральных вяжущих веществ

Характерной особенностью минеральных вяжущих веществ является способность их при затворении водой или водными растворами солей образовывать тестообразные массы, превращающиеся с течением времени в камень, сохраняющий длительное время прочность. Объясняется это тем, что между вяжущим веществом и водой или водным раствором солей протекает ряд химических реакций, приводящих в конечном итоге к появлению новых мине-ралообразований в твердом виде, обусловливающих превращение теста в искусственный камень соответствующей прочности. Появление этих минералообразований зависит от химического и минералогического состава вяжущего вещества, степени его дисперсности, химической активности к воде, наличия химически активных минеральных добавок, а также от физического состояния той среды, в которой протекает взаимодействие вяжущего вещества с водой (температура, давление, влажность и т. д.).

Минеральные вяжущие вещества получают из гипса; известняков, магнезита, доломита, мергелей, глин и других широко распространенных в природе горных пород, а также из некоторых промышленных отходов. К последним относят металлургические и топливные шлаки; золы, обожженную глину, цемянку и т. д.

В природных условиях при обычных температурах перечисленные материалы по отношению к воде находятся в химически устойчивом состоянии и практически с ней не реагируют и, следовательно, минеральными вяжущими веществами не являются. Этого достигают соответствующей термической обработкой. Этот процесс протекает одновременно в двух вариантах. Сначала некоторая часть полугидрата растворяется в воде до образования насыщенного водного раствора. В растворе полугидрат превращается в двуводный гипс, растворимость которого значительно меньше полуводного, поэтому двуводный гипс выпадает из раствора в осадок в виде кристалликов. Одновременно с этим остальная часть полугидрата, реагируя с водой, превращается в двугидрат, выделяющийся в виде коллоидной массы. На этой стадии гипсовое тесто схватывается. В дальнейшем коллоидные частицы двугидрата кристаллизуются, что внешне выражается в затвердевании и повышении прочности ранее схватившейся гипсовой массы. Высыхание закристаллизовавшейся массы сопровождается значительным увеличением прочности и превращением ее в камень.

Начало схватывания гипсового теста наступает через 4-5 мин, а конец - через 10-15 мин с момента затворения водой.

Ангидритовый цемент, получающийся путем обжига двуводного гипса при 600-700º С, представляет собой безводный сернокислый кальций в чистом виде, с водой практически не реагирующий.

Для получения гипсового теста нормальной густоты расходуют 30-35% воды по отношению к сухому веществу. Начало схватывания наступает не ранее 30 мин, конец - не позже 24 ч с момента затворения водой.

Схватывание и твердение высокообжигового гипса (эстрих-гипса) при затворении водой протекает аналогично гипсоангидритовому цементу. В этом случае активизатором является СаО, всегда присутствующая в эстрих-гипсе в результате частичного разложения гипсового камня во время обжига на CaS0₄ -> СаО+S0₃. При взаимодействии эстрих-гипса с водой окись кальция, превращаясь в гидрат окиси кальция и частично растворяясь в воде, образует щелочную среду, способствующую ускорению процесса превращения CaS0₄ в CaS0₄·2H₂0.

Водопотребность эстрих-гипса для получения теста нормальной густоты составляет 30-35%. Начало схватывания наступает через 6-8 ч с момента затворения его водой.

К магнезиальным вяжущим веществам относят каустический магнезит MgO, продукт, получаемый из природного магнезита путем обжига его при 700-800º С. При затворении водой каустический магнезит превращается в гидрат окиси магния, который твердеет чрезвычайно медленно, образуя совершенно непрочное вещество. Начало схватывания каустического магнезита должно наступить не ранее 20 мин, конец -не позже 6 ч. Величина предела прочности при сжатии каустического магнезита, затворенного водным раствором хлористого магния, через 1 сутки достигает 15 кГ/см² (10-1 МПа), через 28 суток воздушного твердения от 300 до 500 кГ/см². В некоторых случаях прочность строительных растворов на каустическом магнезите может достигнуть 800-1000 кГ/см².

Портландцемент изготовляют из клинкера, полученного в результате обжига до полного спекания при 1450-1500º С природных мергелей или искусственно составленных смесей из известняков и глины, взятых в строго определенном количественном соотношении.

Водопотребность портландцемента составляет 24-28%. Начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин, конец - не позже 12 ч с момента затворения цемента водой. Для регулирования сроков схватывания вводится от 3 до 5% двуводного гипса при помоле портландцементного клинкера.

Глиноземистый цемент представляет собой продукт тонкого измельчения сплавленной или спекшейся массы, полученной в результате термической обработки при 1350º С смеси, состоящей из бокситов и известняков. Основным компонентом в глиноземистом цементе является однокальциевый алюминат.

Основным процессом в производстве минеральных вяжущих веществ является термическая обработка исходного природного минерального сырья или искусственных смесей соответствующего состава и превращение их в вещества, способные схватываться, твердеть и превращаться в искусственный камень при затворении водой или водным раствором некоторых солей.

Минеральные вяжущие вещества - тела твердые и реакция их с водой протекает по поверхности твердых частиц. Следовательно, чтобы процесс взаимодействия вяжущего вещества с водой протекал в полной мере и в кратчайший срок, необходимо, чтобы реагирующая поверхность вяжущего вещества была максимальной, т. е. соответствующей тонкости помола. Следовательно, вторым, чрезвычайно важным процессом в производстве вяжущих веществ является тонкий помол продуктов термической обработки исходного сырья.

Скорость всякой химической реакции в значительной степени зависит от той внешней среды, в которой она совершается. Одним из факторов, влияющих на скорость реакции, является изменение температуры. С повышением температуры скорость схватывания и твердения минеральных вяжущих веществ значительно возрастает, поэтому создание оптимальных температурно-влажностных условий при использовании минеральных вяжущих веществ имеет определенное технологическое значение.