Получение и свойства высокопрочного гипса

1.  Получение  и свойства высокопрочного гипса.

Технологическая схема производства высокопрочного гипса ГП состоит  из следующих операций: 1) дробления  гипсового камня до крупности 10—50 мм; 2) пропаривания гипсового щебня насыщенным паром при давлении 1,3 ат (124°) в течение 6 часов; 3) выгрузки из автоклава пропаренного гипсового щебня в бункер; 4) сушки пропаренного продукта при t = 120° в течение 2—2,5 час.; 5) помола высушенного продукта в порошок. Тонкость помола характеризовалась 10%-ным остатком на сите 144 отв/см2.

Распространение получило производство высокопрочного гипса способом «самозапаривания», предусматривающим создание избыточного  давления за счет испарения из гипсового  камня гид-ратной воды. Дробленый  гипсовый камень загружают в герметически закрываемый вращающийся «самозапарник», куда подают топочные газы с температурой около 600°С. Проходя по находящимся внутри аппарата трубам, газы нагревают материал. Дегидратация гипса протекает в паровой среде при повышенном давлении 0,23 МПа в течение 5-5,5 часов. Излишки пара периодически сбрасываются. После запаривания материал сушат в этом же аппарате, снижая для этого давление в течение 1,5 часов до 0,13 МПа, а затем до атмосферного. Общая продолжительность цикла составляет 12—24 ч. Полученный материал тонко измель-. чают в мельницах. Невысокая производительность и длительность технологического цикла обусловливают достаточно высокую стоимость высокопрочного гипса.

Относительно низкая температура  дегидратации двуводного гипса позволяет  получать высокопрочный гипс и при атмосферном давлении — кипячением дробленого гипсового камня в растворах солей (СаС/2, MgCl2, MgS04, Na2C03 и др.), температура кипения которых превышает температуру дегидратации гипса. Длительность варки в зависимости от вида раствора и его концентрации — 45—90 мин. Полученный таким образом полуводный гипс, состоящий в основном из а-полугидрата, отцеживают или отделяют от жидкой среды центрифугированием, промывают до полного удаления солей, сушат при 70—80°С и размалывают в порошок. Такая технология позволяет получить продукт высокого качества и сократить длительность производственного цикла, однако необходимость отделения гипса от солевого раствора и сушки усложняет производственный процесс.

Свойства строительного  и высокопрочного гипса

Скорость схватывания гипса - это время перехода гипса из жидкого состояния в твёрдое. Гипс является быстро схватывающимся вяжущим. Срок схватывания 2-30мин

Ускорить схватывание можно:

1. Введением небольшого количества  в гипсовое тесто двуводного  гипса. Он играет роль готовых центров кристализации. 
2. Снижением количества воды затворения относительно нормальной густоты. 
3. Нагреванием гипсового теста до температуры = 40-45С.

Для замедления схватывания применяются:

1. Нагревание теста более 45С.  При этом растворимость полугидрата уменьшается. 
2. Введение заполнителей 
3. Введение добавок замедлителей. Они делятся на 4 вида:

Прочность гипса повышается:

1. При снижении водогипсового  отношения В/Г 
Например при снижении В(вода)/Г(гипс) с 0.7 до 0.4, то прочность ГК(гипсового камня) увеличивается примерно в 2 раза. 
2. Повышении плотности гипсовых изделий 
3. Увеличении тонкости помола до 250 - 300м²/кг

Прочность гипса снижается:

1. При введении заполнителей 
2. При увлажнении изделий

При хранении гипсового порошка  на складе, происходит его старение. Оно проявляется в преждевременной гидратации за счёт влаги воздуха. Происходит снижение прочности и увеличение хрупкости ГК.

Деформативность

1. Расширение гипса. 
Оно происходит в первоначальный период послезатворения гипса водой. Может достигать до 1%. Расширение гипса зависит от содержания в нём растворимого ангидрита, расширение которого в 5 - 7 раз больше чем полугидрата. Чтобы снизить расширение, вводят молутую негашёную известь CaO ~ 1%. При этом расширение снижается до 0.1%.

2. Усадка. 
Она следует за первоначальным расширением гипса по времени. Усадка может достигать до 0.1мм. При изготовлении крупноразмерных изделий, такая усадка приводит к возникновению внутренних напряжений, растрескиваний и уменьшении прочности. Для уменьшения усадки вводят заполнители.

3. Ползучесть. 
Это способность гипсового камня сохранять большие остаточные(пластические) деформации после снятия нагрузки, особенно изгибающих усилий и при одновременном увлажнении. Причиной является скольжение кристаллов двугидрата в местах контактов кристалических отростков. Снизить ползучесть можно введением портланд цемента и активных минеральных добавок.

Водостойкость

При повышении относительной влажности  до 60% или при увлажнении изделия  их прочность уменьшается. Гипс имеет низкую водо и морозостойкость. МРЗ = 15 - 20 циклов. Т.е. замораживание и оттаивание кубиков в насыщенном водой состоянии.

2.  Как меняются  свойства строительных материалов  (с примером)  под воздействием  атмосферных факторов?

Под воздействием атмосферных факторов, строительные материалы изнашиваются. То есть теряют свои первоначальные строительные характеристики, и становятся менее надежными и эстетичными.

Пример: Свыше 70% стальных конструкций эксплуатируются в атмосфере промышленных районов или подвержены непосредственному воздействию агрессивных сред. Агрессивность среды во многих случаях предопределяет выбор материала и конструктивной формы, оптимальный вид защитных покрытий и правила эксплуатации конструкций.

Показателями  среды, определяющими степень ее агрессивности по отношению к строительным конструкциям, являются относительная влажность, температура, возможность образования конденсата, состав и концентрация газов и пыли, туманы агрессивных жидкостей, а также способы их воздействия на конструкции (непосредственно или через воздушную среду). В зависимости от факторов, формирующих эксплуатационную среду, строительные конструкции можно подразделить на: конструкции, эксплуатирующиеся на открытом воздухе,в общезаводской атмосфере, конструкции, эксплуатирующиеся внутри зданий, во внутрицеховой атмосфере. Условия эксплуатации конструкций в общезаводской атмосфере определяются климатическими особенностями региона расположения объекта и загрязненностью атмосферы технологическими выделениями. В нормах по климатологии территория России разделена в зависимости от влажности на три зоны (сухая, нормальная и влажная). Условия эксплуатации конструкций во внутрицеховой атмосфере предопределяются технологическим процессом.

Главным фактором, определяющим интенсивность коррозионного износа (разрушения), является относительная влажность. Наибольшая скорость коррозии реализуется при периодическом выпадении конденсата, однако скорость резко возрастает при достижении так называемой критической влажности, обычно принимаемой для стали 70...75%.

3.  Какие  материалы называют огнеупорными? Область применения огнеупорных  материалов.

Огнеупорными материалами называют материалы, которые применяют для  осуществления металлургических процессов (обжиг, отжиг, плавка, дистилляция, испарение), конструирования высокотемпературных агрегатов (конструкционные элементы, двигатели, реакторы и т.д.), печей.

Для огнеупорных материалов характерен высокий уровень прочности  при высоких температурах, а также  химическая инертность. По своему составу такие материалы являются керамическими смесями тугоплавких боридов, нитридов, карбидов, силикатов, окислов. Углерод (графит, кокс) также используют как огнеупорный материал. В основной своей массе – это неметаллические материалы, которые обладают огнеупорностью выше 15800С. Их используют везде, где необходимо выполнение какого-либо процесса в условиях воздействия высоких температур.

Существуют огнеупоры  неформованные (мертели, порошки и  др.) и формованные (изделия).

Огнеупорные материалы  классифицируют по: степени огнеупорности, области применения, пористости, химико-минеральному составу.

Классификация по степени  огнеупорности: 
- высшей огнеупорности (огнеупорность больше 20000С),  
- высокоогнеупорные (от 17700С до 20000С),  
- огнеупорные (от 15800С до 17700С).

Область применения

Огнеупоры имеют очень много  областей применения, но всех их можно  разбить на две основные группы, это огнеупоры (огнеупорные изделия, например,кирпич) общего назначения, и огнеупоры, спроектированные специально для какого-либо теплового агрегата. Огнеупорные материалы применяются в металлургической, стекольной, сахарной, машиностроительной, химической промышленности, а также во всех других отраслях, где проходит работа с применением доменных, шахтных и вращающихся печей.

4.  Какие добавки вводятся в глины при изготовлении керамических изделий и каково их назначение?

Керамическими называют изделия, получаемые формованием и обжигом глин, трепелов, диатомитов и других видов минерального сырья с различными добавками или без них. 
 
Материал (или тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики называют керамическим черепком. Керамические строительные изделия, классифицируют по структуре образующегося после обжига черепка, конструктивному назначению, способу формования. 
 
По характеру строения черепка различают изделия с пористым, и спекшимся (плотным) черепком, а также изделия грубой и тонкой керамики.

Для получения керамических изделий  с определенными свойствами в глину вводят различные добавки. Отощающие добавки (кварцевый песок, дегидратированную глину, шамот, бой кирпича, измельченный шлак, золу и др.) вводят для уменьшения пластичности глин и, следовательно, линейной усадки при сушке. и обжиге за счет меньшей водопотребности глиняного теста. 
 
Выгорающие добавки (древесные опилки, угольный порошок, торфяную пыль, коксовую мелочь, золы ТЭС и др.) вводят для получения изделий с меньшей средней плотностью и повышенной пористостью. Опилки улучшают формовочные свойства глиняной массы, но снижают прочность изделий и повышают водопоглощение. Однако благодаря длинным волокнам они армируют глиняную массу и повышают сопротивление разрыву и трещиностойкость в сушке. 
 
Обогащающие и пластифицирующие добавки (высокопластичные глины, бентонитовые глины, отходы при добыче угля, ЛСТ и др.) вводят в глины для обогащения малоглиноземистого сырья, увеличения его пластичности, улучшения формовочных и сушильных свойств глин. 
 
Плавни вводят в сырьевую смесь для того, чтобы повысить плотность изделий, получить сплавленную массу. Они способны при обжиге образовывать с SiO₂ и А1₂О₃ более легкоплавкие силикатные расплавы. Плавни представляют собой горные породы и минералы магматического (пегматит, сиенит, полевые шпаты)

5.  В  чем  существенное отличие производства  глиняного  кирпича  способом пластического формования и полусухого прессования?

Метод пластического формования кирпича  – это «классический» способ получения  кирпича, основанный на формовании кирпича  сырца с влажностью 15–25% с дальнейшими  процессами сушки и обжига.

Кирпич, полученный этим способом, имеет ряд  преимуществ:

1. Область  применения кирпича не ограничена  – это основания зданий, несущие  конструкции и стены, облицовка  зданий с применением рядового  и фигурного кирпича, газоходы, дымоходы, вентканалы, дымовые трубы, лифтовые шахты и т. д.

2. При  этом способе можно получить  высококачественный облицовочный  кирпич различного вида и различных  цветовых оттенков (в зависимости  от добавок).

3. Качественный  кирпич пластического формования  прочен, износостоек, долговечен и экологически безопасен.

Ни один специалист в области  кирпичного производства не может утверждать, что тот или иной метод производства кирпича или технология производства кирпича является наилучшей, поскольку  каждый из них имеет свои положительные  черты и определенные недостатки, которые всегда необходимо учитывать. Решение о применении конкретной технологии производства кирпича принимает непосредственно владелец кирпичного завода, которые должен тщательно взвесить все за и против и, только после глубокого анализа и ознакомления с результатом предварительной обработки данных, заключить договор на поставку выбранного оборудования.

 
В основном, технология производства кирпича определяется как ориентацией на целевую аудиторию подателей, так и финансовой обеспеченностью инвестора, который решает выделить четко лимитируемую сумму денег на оснащение кирпичного предприятия. В наше время довольно перспективным представляется производство кирпича методом пластического формования, поскольку такая продукция отличается отличной продолжительностью эксплуатации и великолепным внешним видом. Основной акцент делается на постепенном уплотнении структуры особой керамической массы, которая предварительно специальным образом очищается от различных ненужных элементов во время производства кирпича методом пластического формования.

 
В результате воздействия новейших прессов пластического формования, когда идет производство кирпича  методом пластического формования, изготовленные кирпичи являются сравнительно легкими и имеют четко определенную геометрическую форму. Любая технологическая схема производства кирпича, в том числе и технологическая схема производства кирпича пластического формования, включает в себя этап обжига в печи, так что помимо высокотехнологичного пресса потребуется приобрести качественную печь для обжига, чтобы гарантировать отличные параметры кирпича. Вследствие использования вакуумного выкачивания воздуха, плотность кирпича при данном способе производства значительно увеличивается, так что это один из наиболее выгодных видов кирпича, который технологическая схема производства кирпича разработала.

В отличие от метода пластического формования, при изготовлении кирпича способом полусухого прессования, количество влаги в сформованной массе не превышает 8%, что дает возможность пропустить фазу сушки и сразу перейти к обжигу кирпича.

Рассмотрим основные этапы изготовления кирпичей методом полусухого прессования.

Первый этап — приготовление пресс-порошка. Пресс-порошок — это дисперсная, глинистая система с низким содержанием влаги. Такой массе не свойственна связанность, что обуславливает ее сыпучесть — скорость стечения через определенное отверстие под действием собственной массы. Для того, чтобы получить максимально уплотненный порошок при минимальном давлении (прессуемость порошка) , он должен иметь определенный зерновой состав (гранулометрический) и влажность. В результате приготовления порошка масса должна иметь однородную пофракционную влажность и минимальное содержание пылевидной фракции.

Второй этап — это прессование. При прессовании керамический порошок проходит несколько стадий. Сначала происходит уплотнение — сближение частиц вещества друг к другу, при этом часть воздуха удаляется. На второй стадии увеличивается поверхность контакта частиц друг с другом путем пластической деформации. При этом на поверхность такой частицы выдавливается влага. Все это приводит к усилению сцепления между частицами вещества. На третьей стадии в результате уплотнения частицы подвергаются упругой деформации. И последняя стадия прессования происходит при очень высоком давлении и вызывает хрупкое разрушение частиц порошка.

Третий этап — сушка полученного кирпича-сырца. Кирпичи сушат в туннельных сушилках, в которых теплоносителем является горячий воздух с начальной температурой 120-150°C. Продолжительность сушки составляет примерно 16-24 часа. После нее влажность изделия составляет 4-6%.

И, наконец, заключительный этап производства – обжиг. Необходимо отметить, что в сырце при полусухом прессовании коллоидная фракция действует внутри частиц вещества. Поэтому она не цементирует частицы, а агрегирует зерна минералов в глинистую частицу. Как следствие этого, жидкая фаза при обжиге развивается внутри глиняных агрегатов, а на их поверхности образуется малое количество жидкой фазы. Сцепление частиц при этом носит характер контактного спекания.

Изделия, изготовленные методом  полусухого прессования, имеют низкое сопротивление на изгиб, обладают повышенной водопроницаемостью, низкой морозоустойчивостью. При таком производстве кирпича требуется более высокая температура обжига. Надо учитывать большие потери на брак (10-20%) , хотя качество внешнего вида кирпича очень высокое.

6.  Что представляют собой магнезиальные вяжущие вещества, их свойства? В чем основное отличие каустического магнезита от каустического доломита?

Магнезиальные вяжущие вещества —  тонкомолотые порошки, состоящие в  основном из оксида магния MgO, получаемые умеренным обжигом пород, содержащих карбонат магния. Они твердеют при  затворении водными растворами солей магния. Магнезиальные вяжущие — воздушные вяжущие вещества, твердеющие и сохраняющие прочность только в воздушно-сухих условиях. Различают каустический магнезит и каустический доломит.

К магнезиальным вяжущим веществам относят каустический магнезит и каустический доломит. Каустическим магнезитом или доломитом называют продукты, получаемые обжигом соответственно природного магнезита (MgCO3) или доломита (CaCO3-MgCO3) с последующим измельчением их в порошок. В результате обжига магнезита при температуре 800—8509 С углекислый магний разлагается с образованием каустического магнезита по обратимой реакции При обжиге доломита в интервале температур 650—750° С углекислый кальций не разлагается и, не обладая вяжущими свойствами, снижает активность получаемого каустического доломита.

Магнезит обжигают главным образом в шахтных или вращающихся печах, в то время как доломит обжигают обычно только в шахтных печах с выносными топками, хотя для этой цели могут быть использованы печи и других типов. При затворении каустического магнезита и доломита водой процессы гидратации протекают медленно и затвердевший камень имеет небольшую прочность. Однако, если затворить их водными растворами солей хлористого или сернокислого магния и некоторых других солей, можно получить вяжущие вещества относительно высокой прочности. Так, например, марки вяжущего, характеризующие предел прочности при сжатии стандартных образцов состава 1 :3 (каустический магнезит — песок), приготовленных из раствора, жесткой консистенции и испытанных на 28-й день, могут быть: 400, 500 и 600, образцы на каустическом доломите имеют марки 100, 150, 200, 300.

Магнезиальные вяжущие вещества обладают отличительной особенностью хорошо сцепляться с органическими материалами— древесными стружками, опилками, древесной шерстью и в то же время предохранять их от загнивания. Находясь продолжительное время под действием влажного воздуха, эти вяжущие вещества в значительной степени теряют свою активность.

Каустический магнезит используют для производства ксилолита и магнезиального фибролита. Ксилолит—материал для бесшовного пола, в котором древесные опилки сцементированы в монолит каустическим магнезитом. Фибролит — конструктивный и теплоизоляционный материал в виде плит, где в качестве заполнителя используется древесная стружка или древесная шерсть, сцементированные каустическим магнезитом. Каустический магнезит, кроме того, применяют для изготовления пеномагнезита и других теплоизоляционных материалов, при производстве изделий для внутренней облицовки (искусственный мрамор, облицовочные плитки и др.), а также магнезиальных штукатурных растворов.

Каустический доломит — более дешевый материал, из него получают изделия несколько меньшей прочности, чем каустический магнезит; используется как заменитель (в некоторых случаях) каустического магнезита. Магнезиальные вяжущие вещества целесообразно применять лишь для изделий, эксплуатирующихся в сухих помещениях и конструкциях, не соприкасающихся с влагой.

7.  Что такое глиноземистый цемент? Каков его химический состав и какие основные химические реакции протекают при твердении цементного теста?

глиноземистый цемент представляет собой быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество. Его получают путем тонкого помола клинкера, полученного обжигом сырьевой смеси из бокситов и известняков, до плавления (при t=1400°C) или спекания (при t—1300С). Обжиг производится во вращающихся доменных печах, в электрических дуговых печах, вагранках. В настоящее время обжиг проводится чаще всего до плавления в доменных или электродуговых печах. При этом не требуется тонкого измельчения сырьевых компонентов и создаются условия для удаления железа и кремнезема. Вместо бокситов для производства глиноземистого цемента в нашей стране используются также бокситовые железные руды с добавками известняка и железного лома. Шлаки доменного производства являются клинкером, причем стоимость глиноземистого цемента значительно понижается.

Химический состав. В отличие  от портландцемента, химический состав которого представлен в основном известью и кремнеземом, глиноземистый цемент, кроме оксидов кальция и алюминия, содержит в небольших количествах также оксиды железа, титана, магния и др. Содержание оксидов в глиноземистом цементе характеризуется большими колебаниями, чем в портландцементе, и определяется способом производства клинкера (шлака), а также качеством применяемого сырья. За рубежом путем спекания или плавления в электродуговых печах выпускаются цементы, содержащие Fe203 до 16 мас.

Глиноземистый цемент предназначается  для получения быстротвердеющих и жаростойких бетонов и строительных растворов, его целесообразно применять при аварийно-ремонтных работах, а также зимнем бетонировании.

Основные свойства:

-быстрое нарастание прочности  в раннем возрасте; 
-при твердении бетона на глиноземистом цементе выделяется большое количество тепла, что позволяет использовать эти бетоны при отрицательных температурах до - 10 градусов без подогрева; 
-глиноземистый цемент имеет повышенную плотность цементного камня, что определяет большую устойчивость бетона против всех видов агрессивных жидкостей и газов по сравнению с бетоном на портландцементе; 
глиноземистый цемент по сравнению с портландцементом является более огнестойким и термически устойчивым материалом. В смеси с огнеупорными заполнителями: шамотом, хромитовой рудой, магнезитом и др. глиноземистый цемент может быть использован для получения гидравли-чески твердеющих огнеупорных растворов и бетонов. 
Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре (до + 25° С) основной минерал цемента - СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы:

Твердение глиноземистого цемента — результат взаимодействия составляющих его минералов, в первую очередь основного компонента — однокальциевого алюмината СА, с водой с образованием гидратных соединений. Одиокальциевый алюминат при ограниченном количестве воды в смеси и при температуре не выше 20—22 °С реагирует по схеме СаО-А12ОзН-10Н2О = СаО-А12О3' •10Н2О.

При 22—30 °С в присутствии  воды САНю постепенно переходит в  двухкальциевый гидроалюминат 2СаО-А120з-8И20, выделяющийся в виде пластинчатых кристаллов гексагональной системы. Одновременно образуется гидроксид алюминия в виде гелевидной массы. При температурах выше 30°С САНю и С2АН8   переходят   в трехкальциевый гидроалюминат ЗСаО-А12Оз-6Н20 с выделением гидрата глинозема (гиббсита) и воды. Преобразование САНю и С2АН8 в С3АН6 в большей мере зависит не только от температуры, но и от показателя рН среды: чем они выше, тем интенсивнее протекают реакции перехода гексагональных низкоосновных гидроалюминатов кальция в стабильный кубический СзАНе. И если превращение САНю или С2АН8 в С3АНб при обычной температуре (15—20 °С) может продолжаться десятилетия, то при 50—60 °С оно завершается в течение, суток и даже нескольких часов. Алюминат кальция С12А7, обычно присутствующий в глиноземистых цементах в небольшом количестве, при реакции с водой в зависимости от температуры образует те же гидраты, что и СаО-А12Оз (САНю, С2АН8 и С3АНр вместе с гиббситом).

Алюминат кальция СА2, а также алюмоферриты и ферриты  кальция, (3-C2S, входящие в состав этого  цемента, взаимодействуя с водой, дают соответствующие гидраты. Образование гидроалюминатов кальция и твердение глиноземистого цемента протекают настолько интенсивно, что обычно уже через 24 ч от момента смешения вяжущего с водой достигается приблизительно 75—90 % конечной прочности, рост которой через 3 сут практически завершается. Следует подчеркнуть и такое своеобразие твердения рассматриваемого цемента, как резко отрицательное влияние на прочность температур выше 25—30 °С. В этих условиях наблюдается переход гексагонального 2СаО-А1203-8Н20 в кубический ЗСаО-А1203-'6Н20, что сопровождается появлением напряжений в твердеющей системе и значительным уменьшением прочности цементного камня. Это обстоятельство следует учитывать при применении глиноземистого. цемента еще и по той причине, что твердение его сопровождается интенсивным выделением теплоты, достигающим через сутки 70—80 % полной экзотермии.