Неорганические и воздушные вяжущие вещества. Производство и применение

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ БИЗНЕСА И СЕРВИСА

Кафедра экономика и управление на предприятии (в городском хозяйстве).

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Теоретические основы прогрессивных

технологий»

На тему: «Неорганические и воздушные вяжущие вещества. Производство и применение»

Белгород 2010

Содержание

Введение

1. Неорганические вяжущие вещества

1.1 Общие сведения и классификация

1.2 Воздушные вяжущие вещества

1.3 Гидравлические вяжущие вещества

2. Производство и применение вяжущих веществ

2.1 Основа производства неорганических вяжущих веществ

2.2 Производство воздушных вяжущих веществ

2.3 Применение воздушной извести, магнезиальных и гипсовых веществ

3. Инновационные технологии

3.1 Что такое инновация

3.2 Способ получения влагостойких изделий на основе гипса

3.3 Способ получения портландцемента

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

В штукатурных растворах применяют неорганические вяжущие вещества, заполнители, воду и различные добавки. Для декоративных штукатурок в качестве заполнителя применяют каменную крошку, получаемую дроблением природного камня, пигменты для придания раствору заданного цвета.

Вяжущие вещества -- строительные материалы, применяемые для изготовления бетонов и растворов. Вяжущие вещества, применяемые в штукатурных работах, подразделяются на три основные группы: минеральные (воздушные и гидравлические); органические и смешанные со специальными свойствами.

Вяжущие материалы разделяют также на марки. Марка вяжущего характеризует его прочность при сжатии при стандартном методе испытания.

Вяжущие материалы различают и по скорости твердения. Наибольшей быстротой твердения обладают гипсовые вяжущие (несколько часов). Медленнее других твердеет воздушная известь (в течение нескольких месяцев).

Неорганические вяжущие вещества появились примерно за 3 ... 4 тыс. лет до н.э. Тогда получали их путем обжига гипсового камня, известняков и применяли при возведении сооружений. Для повышения водоустойчивости к вяжущим веществам прибавляли тонкоизмельченные минеральные порошки, например вулканические пеплы и пемзу.

В России первые руководства по изготовлению неорганических веществ появились в XVIII в. Они обобщали опыт русских ученых с описанием способов получения строительного гипса и гидравлической извести. Так, В. М. Севергин доказывал целесообразность использования известняков с глинистыми примесями, а также мергелистых пород для получения водоустойчивых вяжущих веществ. В Петербургском институте путей сообщения в 1822 г. проф. Шарлевилем были опубликованы научные исследования мергелистых пород для получения гидравлической извести и цементов. Автор указывал, что при обжиге таких пород или смесей известняков и глин возникают химические взаимодействия между составными частями. Принципиально новым явились основные положения технологии производства гидравлического вяжущего, изложенные в работе Е. Г. Челиева, опубликованной в 1825 г. Он рекомендовал температуру обжига сырьевой смеси из известняков и глин свыше 1100. В работе Челиева содержатся основные элементы современной технологии цементов.

В физико-химические основы производства огромный вклад внесли труды Д. И. Менделеева, а также работы А. Р. Шуляченко,. И. Г. Малюги, Н. Н. Лямина, Н. А. Белелюбского, В. Н. Черномского и других в конце XIX и начале XX в. Сырьевой базой для производства неорганических вяжущих веществ являются горные породы и побочные продукты промышленности. Среди горных пород для этих целей используют сульфатные -- гипс и ангидрит; карбонатные -- известняк, мел, известковые туфы, ракушечник, мрамор, доломиты, доломитизированные известняки, магнезит; мергелистые -- известковые мергели; алюмосиликатные -- нефелины, глины, глинистые сланцы; высокоглиноземистое сырье -- бокситы, корунды и др.; кремнеземистые горные породы -- кварцевый песок, трассы, вулканический пепел (пуццолана), диатомит, трепел, опока.

1. Неорганические вяжущие вещества

1.1 Общие сведения и классификация

Вяжущие вещества - вещества, выполняющие функцию цементирующего компонента. По происхождению вяжущие вещества могут быть как органическими, так и неорганическими.

Вяжущие - вещества, способные затвердевать в результате физико-химических процессов. Переходя из тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зёрна песка, гравия, щебня. Это свойство вяжущих используется для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожжённых искусственных материалов; строительных растворов - кладочных, штукатурных и специальных.

Вяжущие вещества по составу делятся на

1. неорганические (известь, цемент, строительный гипс, жидкое стекло и др.), которые затворяют водой (реже водными растворами солей). Включают: вяжущие воздушные, вяжущие гидравлические, вяжущие автоклавного твердения.

2. органические (битумы, дёгти, животный клей, полимеры), которые переводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях.

Органические вяжущие вещества представляют собой природные пли искусственные твердые, вязкопластичные или жидкие (при нормальной температуре) продукты, способные изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. В зависимости от химического состава, вида сырья и технологии производства органические вяжущие вещества разделяют на битумы и дёгти. На основе битумов и дёгтей изготовляют другие вяжущие вещества (битумно-дёгтевые) и материалы в виде эмульсий и паст (при температуре не ниже 2° С эмульсии имеют жидкую консистенцию, пасты до состояния, текучести разбавляются водой), асфальтовых лаков, асфальтовых растворов и бетонов. Битумы и дегти применяют также для изготовления рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов.

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичную удобообрабатываемую массу, затвердевающую со временем в камневидное прочное тело.

По составу, основным свойствам и областям применения различают вяжущие материалы: гидравлические, воздушные, кислотоупорные и автоклавного твердения. Каждую из этих групп в свою очередь делят на несколько разновидностей в соответствии с составом и основными свойствами.

Гидравлические вяжущие вещества (цементы) способны при затворении водой после предварительного затвердевания на воздухе продолжать твердеть в воде, сохраняя и наращивая свою прочность. По виду клинкера и вещественному составу различают: Цементы на основе портландцементного клинкера (портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемеит, пуццолановый портландцемент) и цементы на основе глиноземистого клинкера (глиноземистый, высокоглиноземистый и гипсоглиноземистый)(рис.1.1.)

Рис. 1.1. Цемент.

Воздушные вяжущие вещества при затворении водой схватываются, твердеют и превращаются в камень только на воздухе. Образовавшийся камень длительно сохраняет прочность также только в воздушной среде. Такие материалы применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды. К этой группе относятся строительная воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.

Кислотоупорные вяжущие вещества после затвердевания на воздухе могут длительное время сохранять прочность при действии на них минеральных кислот. Их применяют в тех случаях, когда затвердевший материал работает в кислой среде. К этой группе вяжущих принадлежит кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент и др.

Вяжущие вещества автоклавного твердения превращаются в камень лишь при автоклавной (гидротермальной) обработке при давлении насыщенного пара 0,9--1,3 МПа и температуре 440-- 470 К, например известково-кремнеземистые вяжущие.

К основным свойствам вяжущих веществ относятся плотность, насыпная плотность, водопотребность, скорость схватывания и твердения, прочность.

Плотность зависит от вида вяжущего. Выше всего она у негашеной извести -- 3,1--3,3 г/см³ и портландцемента -- 3--3,2 г/см³, ниже всего у гипсовых вяжущих -- 2,6--2,7 г/см³.

Насыпная плотность тем ниже, чем меньше плотность и больше тонкость измельчения вяжущих. Насыпная плотность портландцемента в рыхлонасыпном состоянии -- 900--1100 кг/см³.

Водопотребность характеризуется количеством воды, необходимым для получения теста стандартной консистенции (нормальной густоты). Чем ниже водопотребность, тем выше качество вяжущих, больше его прочность. Наиболее низкая водопотребность у портландцемента-- 24--28%, наиболее высокая у гипсовых вяжущих -- 50--80%.

Сроки схватывания определяют период, в течение которого смесь вяжущего вещества с водой сохраняет свою пластичность. Особенно быстро схватываются гипсовые вяжущие: начало схватывания -- 4--5 мин, конец--через 10--15 мин после затворения водой. Очень медленно схватывается гидратная известь -- через 3--5 сут. Гидравлические вяжущие (цементы) в соответствии с ГОСТ 23464--79 по срокам схватывания классифицируют на медленносхватывающиеся (с началом схватывания более 1 ч 30 мин); нормальносхватывающиеся (с началом схватывания от 45 мин до 1 ч 30 мин) и быстросхватывающиеся (с началом схватывания менее 45 мин).

Скорость твердения определяют интенсивностью реакций взаимодействия вяжущего вещества с водой. У гипсовых вяжущих она составляет 1--2 ч. Твердение гашеной извести протекает годами и десятилетиями. Цементы по скорости твердения различают: обычные (с нормированием прочности в возрасте 28 сут), быстротвердеющие (с нормированием прочности в возрасте 1 и 28 сут), особо *быстротвердеющие (с нормированием прочности в возрасте 1 сут :.и менее).

Прочность характеризует способность вяжущего вещества после затвердевания воспринимать без разрушения сжимающие, растягивающие и другие внешние нагрузки. Чем выше прочность камня и чем быстрее она достигается, тем-выше качество вяжущего. Прочность искусственного камня зависит от многих факторов: вида вяжущего, степени его измельчения, водопотребности, условий и длительности твердения. Для большинства гидравлических вяжущих прочность оценивают испытанием на изгиб балочек 40x40X160 мм и их половинок на сжатие из раствора 1 : 3 при водоцементном отношении 0,4 в возрасте 28 сут. По прочности различают цементы: высокопрочные (М550, 600 и выше), повышенной прочности (М500), рядовые (М300 и 400), низкомарочные (ниже М300). Высокой прочностью характеризуются также вяжущие автоклавного твердения. Прочность воздушных вяжущих значительно ниже (5--20 МПа).[1]

1.2 Воздушные вяжущие вещества

Воздушные вяжущие вещества в результате смешивания с водой способны отвердевать и сохранять прочность только на воздухе. Под воздействием воды изделия на их основе постепенно разрушаются. Поэтому воздушные вяжущие вещества используются только в наземных строительных сооружениях.

В группу воздушных вяжущих входит воздушная известь, а также гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества.

Воздушная известь может быть нескольких видов: негашеная комовая известь, негашеная молотая известь, гидратная известь (пушонка).

Гипсовые вяжущие вещества изготовляют из гипсового камня, представляющего собой, в основном, двуводный гипс -- CaS0₄·2H₂0, ангидрита, состоящего главным образом из безводного гипса -- CaS0₄, и некоторых отходов химической промышленности, содержащих преимущественно двуводный или безводный сульфат кальция. Химически чистый двуводный гипс состоит из 32,56% СаО; 46,51% S0₃ и 20,93% воды, а ангидрит--из 41,19% СаО и 58,81% S0₃. Двуводный гипс -- мягкий минерал, его твердость по шкале Мооса равна 2. Твердость ангидрита колеблется в пределах 3--3,5. Плотность двуводного гипса 2,2--2,4, а ангидрита -- 2,9--3,1. Растворимость двуводного гипса, пересчитанного на CaS0₄ в воде, равна 2,05 г в 1 л воды при 20 °С. Растворимость ангидрита-- 1 г на на 1 л воды.

Известны два магнезиальных вяжущих вещества: каустический магнезит и каустический доломит. Каустическим магнезитом называется продукт, получаемый обжигом магнезита (MgC0₃) с последующим его измельчением в тонкий порошок. Каустический доломит отличается от каустического магнезита тем, что сырьем для его изготовления служит не магнезит, а доломит (CaC0₃·MgC0₃). Оба эти вяжущие вещества затворяют раствором хлористого магния, сернокислого магния или некоторых других солей.

Магнезит (горький шпат) встречается в природе в двух видах -- кристаллическом и аморфном. Твердость обоих видов магнезита по шкале Мооса колеблется в пределах 3,5--4,5; плотность 2,9--3,1. Теоретический состав магнезита 47,82% MgO и 52,18% С0₂.

Природный магнезит всегда содержит различные примеси: глину, углекислый кальций и др. В зависимости от примесей он бывает белого, желтого, серого is другого цвета. Для аморфного магнезита характерны примесь кремнезема и отсутствие примесей соединений железа. В природе магнезит встречается реже, чем известняк и доломит.

Доломиты являются распространенной горной породой. Твердость доломита по шкале Мооса 3,5--4; плотность 2,85--2,95. Теоретическое содержание в доломите СаСОз -- 54,27%; MgC0₃ --45,73% или в окислах: СаО --30,41%; MgO --21,87% и С0₂ -- 47,72%.

Природный доломит имеет обычно некоторый избыток углекислого кальция. Кроме того, в доломите встречаются глинистые и другие примеси. Цвет доломита белый, желтый и буроватый, в зависимости от примесей, главным образом железистых соединений.

Известь воздушная - воздушное вяжущее, получаемое путем обжига дробленых известковистых пород (известняка, мела, ракушечника и т. д.), содержащих не более 6% глинистых компонентов. Получаемая известь носит название комовой, а после измельчения - молотой.

Строительную известь получают путем обжига (до удаления углекислоты) из кальциево-магниевых горных пород -- мела, известняка, доломитизироваиных и мергелистых известняков, доломитов. Для производства тонкодисперсной строительной извести гасят водой или размалывают негашеную известь, вводя при этом минеральные добавки в виде гранулированных доменных шлаков, активные минеральные добавки или кварцевые пески. Строительную известь применяют для приготовления строительных растворов и бетонов, вяжущих материалов и в производстве искусственных камней, блоков и строительных деталей. В зависимости от условий твердения различают строительную известь воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и гидравлическую, обеспечивающую твердение растворов и бетонов и сохранение ими прочности как на воздухе так и в воде. Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного оксида бывает кальциевая, магнезиальная и доломитовая. Воздушную известь подразделяют на негашеную и гидратную (гашеную), получаемую гашением кальциевой, магнезиальной и доломитовой извести. Гидравлическую известь делят на слабогидравлическую и сильногидравлическую. Различают гидравлическую известь комовую и порошкообразную. Порошкообразная известь бывает двух видов: молотая и гидратная (гашенная вода). Комовую известь выпускают без добавок и с добавками. Строительную негашеную известь по времени гашения делят на быстрогасящуюся -- не более 8 мин, среднегасящуюся -- не более 25 мин, медленногасящуюся -- более 25 мин. Строительную воздушную известь получают из кальциево-магниевых карбонатных пород. Технологический процесс получения извести состоит из добычи известняка в карьерах, его подготовки (дробления и сортировки) и обжига. После обжига производят помол комовой извести, получая молотую негашеную известь, или гашение комовой извести водой, получая гашеную известь.[4]

1.3 Гидравлические вяжущие вещества

Гидравлические вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, состоящие из силикатов и алюминатов кальция, гидратирующихся в водной среде с образованием прочного водостойкого искусственного камня. Химический состав соединений, входящих в состав гидравлических вяжущих, представляют в виде оксидов. Например, силикат кальция CaSi03, записывают СаО + Si02 или сокращенно CS, трехкальциевый алюминат Са3А1203, как ЗСаО + Al203 или С3А, гидросиликат кальция 2СаО + Si02 + 2Н20 = C2SH2.

Способность гидравлических вяжущих превращаться под действием воды в прочный камень характеризуется активностью или прочностью (кгс/см-) в 28 суток твердения в естественных условиях (температура 18-н20° С, влажность 95-98%) раствора состава Ц:П = 1:3 с песком определенного размера. По активности -- при условии, что вяжущее удовлетворяет комплексу других, предусмотренных ГОСТом, требований: тонкости помола, срокам схватывания, равномерности изменения объема, ему присваивают марку 200, 300, 400 и т.д.

К гидравлическим вяжущим веществам относятся гидравлическая известь, которая занимает промежуточное положение между воздушными и гидравлическими вяжущими, портландцемент, разновидности портландцемента и специальные виды цементов. Строительные растворы и бетоны на романцементе отличаются от полученных на гидравлической извести более высокой стойкостью при эксплуатации во влажных условиях и при попеременном увлажнении и высушивании. Применяют романцемент для изготовления бетонов низких марок и растворов, используемых при возведении наземных и подземных частей зданий, а также в производстве стеновых камней и мелких блоков, особенно методом пропаривания.

Глина - это осадочная горная порода в виде смеси частиц песка, пылевидных и собственно глинистых частиц. В зависимости от содержания песка различают жирную, средней жирности (полужирную) и тощую (суглинки) глины. Глина обладает способностью во влажном состоянии образовывать пластичное тесто, легко принимающее заданную форму и сохраняющую ее после высыхания.

В сельском строительстве глину используют как вяжущее вещество для штукатурных растворов.

Цементы изготовляют из природного мергеля (осадочной горной породы) определенного химического состава или из смеси известняка и глины, которую обжигают во вращающихся печах до спекания. Сырье после обжига называют клинкером. При совместном помоле клинкера с гипсом и другими добавками получают порошок сероватого цвета -- цемент.

Тонкость помола цемента влияет на скорость его схватывания и твердения, а также на прочность, и характеризуется величиной остатка на сите с сеткой установленного стандартами и техническими условиями номера.

Цементы классифицируют: по виду клинкера и вещественному составу; прочности при твердении; скорости твердения; специальным свойствам.

Портландцемент получают путем совместного помола портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и необходимого количества гипса.

Шлакопортландцемент схватывается и твердеет медленнее, чем портландцемент.

Классификация портландцемента :

· портландцемент пластифицированный - получают при помоле клинкера 0,25 % концентрата сульфитно-спиртовой барды -- поверхностно-активного вещества, повышающего пластичность и морозостойкость растворов, приготовленных на этом цементе.

· портландцемент гидрофобный - получают, вводя при помоле клинкера 0,1...0,2 % мылонафта или другой гидрофобизующей поверхностно-активной добавки (асидола, окисленного петролатума, синтетических жирных кислот). Добавки снижают гигроскопичность цемента и повышают подвижность, удобоукладываемость растворных смесей и морозостойкость затвердевших материалов.

· портландцемент белый - получают совместным измельчением белого маложелезистого клинкера, активных минеральных добавок и гипса. Применяют для архитектурно-отделочных работ. По степени белизны портландцемент делят на три сорта 1-, 2- и 3-й.

· портландцемент цветной - получают совместным тонким измельчением белого и цветного портлаидцементного клинкера, минеральных и органических красителей (например, охры, железного сурика, окиси хрома), гипса и активной минеральной добавки.[7]

2. Производство и применение вяжущих веществ

2.1 Основа производства неорганических вяжущих веществ

Основу производства неорганических вяжущих веществ составляют следующие технологические переделы: добыча сырья, подготовка сырьевой смеси, обжиг и помол. Все технологические переделы последовательно связаны между собой и проводятся в строго заданных режимах. Принципиальных отличий при изготовлении вяжущих нет; различно сырье, следовательно, технические приемы осуществления указанных переделов.

Производство вяжущих веществ связано с переработкой больших количеств разнообразных сырьевых и вспомогательных материалов. Например, для получения 1 т портландцементного клинкера расходуется до 1,5...1,8т известняка и до 0,2...0,5 г глинистых пород. Учитывая высокую стоимость транспорта, заводы вяжущих веществ строят вблизи месторождений сырьевых материалов, и их добыча входит в общий комплекс технологических операций, осуществляемых заводом.

Добычу нерудных ископаемых осуществляют методом прямой экскавации. Скальные породы (известняки и др.) предварительно разрыхляют взрывами. Мягкие породы (глину и мел) добывают гидромониторами в виде текучей массы (шлама).

Доставку сырья на завод осуществляют железнодорожным, автомобильным транспортом, ленточными конвейерами или перекачивают по трубопроводам в виде шлама.

Обязательной подготовительной операцией в производстве всех вяжущих является измельчение сырья. При производстве вяжущих из однокомпонентного сырья (извести, гипса и др.) последнее измельчают до кусков примерно одного размера. В противном случае мелкие куски окажутся пережженными, а крупные необожженными, т. е. не будет однородного продукта. Высококачественные вяжущие из смеси нескольких сырьевых компонентов (портландцемент и его разновидности и др.) можно изготовить только из однородной смеси, получаемой тщательным смешением составляющих в тонкоизмельченном виде. Дробление сырья производят в конусных, щековых, молотковых, валковых и других дробилках ( рис. 2.1.). Тонкое измельчение (помол) сырья производят мокрым и сухим способами в мельницах.

Рис 2.1. Щековая дробилка

При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования сметанообразной водной суспензии -- шлама. Компоненты сырьевой шихты, способные распускаться в воде '(глина, мел, мягкий мергель и другие породы), предварительно размучивают (распускают) в специальных аппаратах-болтушках, представляющих собой бетонные резервуары, оборудованные устройствами для размешивания суспензии, а затем направляют на помол в шаровые мельницы (рис.2.2.).



Рис.2.2. Шаровая мельница

Твердые сырьевые материалы (известняк, мергель) размалывают в мельницах, представляющих собой стальной цилиндр, разделенный внутри на камеры дырчатыми перегородками. При вращении мельницы мелющие тела (металлические шары или цилиндрики) поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Выходящий из мельницы сырьевой шлам влажностью 36....38 % транспортируют по трубам в шламбассейны, где его тщательно усредняют и гомогенизируют, а затем подают на обжиг.[2]

При сухом способе дробленые сырьевые материалы частично подсушивают, дозируют с заданных соотношениях и подают в мельницу, где они измельчаются до требуемой тонины. Для тонкого измельчения сырьевой шихты преимущественно применяют технологические схемы с мельницами для одновременной сушки и помола .

Усреднение и гомогенизацию сырьевой муки при сухом способе осуществляют в силосах, нагнетая в них сжатый воздух. При насыщении (аэрировании) воздухом сухая шихта приобретает подвижно-текучее состояние.

При производстве портландцемента все шире используют также комбинированный способ приготовления сырьевой смеси, при котором сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы для обжига.

Выбор способа подготовки сырьевой смеси обусловливается главным образом свойствами сырьевых материалов и экономическими соображениями. При мокром способе облегчается измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг в 1,5...2 раза больше, чем при сухом способе. При сухом способе возрастает расход электроэнергии и трудоемкость производства. Успехи в технике помола и гомогенизации сухих смесей в настоящее время способствуют развитию сухого и комбинированного способов производства.

Обжиг сырьевой шихты является важнейшим этапом в производстве вяжущих веществ. В результате физико-химических процессов, происходящих при термической обработке исходных сырьевых материалов, образуются новые соединения, способные вступать во взаимодействие с водой и при этом твердеть, превращаясь в искусственный камень. Каждый вид вяжущего требует определенных температур и времени действия на обрабатываемое сырье.

При нагревании вследствие ускорения теплового движения ионов, атомов и молекул в твердом теле возникают условия для отрыва некоторых из них с постоянных орбит движения и перехода их в окружающее пространство. В результате, как это происходит при дегидратации (обезвоживании) природного гипса при 150...200°С или декарбонизации (удалении СО2) карбонатных пород при 800...900°С, образуются новые вещества (гипсовые вяжущие и воздушная известь), обладающие вяжущими свойствами.

При температурах 800... 1200 °С и более тепловое движение молекул твердых веществ возрастает столь значительно, что между ними становится возможным взаимообмен ионами и атомами с образованием новых соединений (реакции в твердых фазах). При обжиге в этих условиях мергелистых известняков или искусственных смесей известняков и глины продукты их разложения (CaO, SiO2, A12O3, Fe2O3 и др.) образуют серию новых соединений (2CaO-SiO2, СаО-А12О3, 2CaO-Fe2O3), являющихся основными минералами гидравлической извести и романцемента.

Скорость химических реакций возрастает при появлении жидкой фазы (при температуре более 1300 °С).

Процесс обжига с частичным плавлением сырьевой смеси называют спеканием. Обжигом до спекания получают портландцементный клинкер. Образование жидкой фазы при его производстве обеспечивает наиболее полное усвоение оксидами кремния SiO2 и алюминия А12О3 оксида кальция СаО и получение высокоосновных минералов, в частности наиболее ценного минерала в клинкере -- трехкальциевого силиката 3CaO-SiO2.

Наиболее быстро химические реакции образования веществ, обладающих вяжущими свойствами, протекают при полном плавлении сырьевой смеси. Этого обычно достигают нагреванием смеси до 1600..1800 °С, что требует повышенного расхода топлива и применения специальных печей. В настоящее время плавлением получают лишь глиноземистый цемент высоких марок.

Таким образом, получение вяжущего вещества с заданными свойствами зависит не только от химического состава сырья, но и от правильного выбора температуры обжига и интервала времени для каждой зоны обжига. Из одной и той же минеральной смеси, но при разных температуре и режиме обжига можно получить вяжущее с различными свойствами (например, роман-цемент и портландцемент).

Процессы, происходящие при обжиге сырьевых материалов, и тепловые аппараты для обжига имеют определенную специфику для разных вяжущих, поэтому будут рассмотрены при описании конкретных вяжущих веществ.

Хранят вяжущие вещества обычно в железобетонных силосах, которые оборудуют пневматическими устройствами для рыхления и загрузки вяжущих в транспортные средства. Некоторое количество вяжущих (около 20 % от выпуска) отправляют потребителям в бумажных многослойных мешках.

При отправке вяжущих веществ потребителям выдают паспорт, в котором указывают: завод-изготовитель, название вяжущего, его технические характеристики, массу партии и другие сведения.[6]

2.2 Производство воздушных вяжущих веществ

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат сульфатные горные породы, содержащие преимущественно минерал двуводный гипс.

При тепловой обработке природный гипс постепенно теряет часть химически связанной воды, а при температуре от 110 до 180°С становится полуводным гипсом. После тонкого измельчения этого продукта обжига получают гипсовое вяжущее вещество.

При тепловой обработке природного гипса в герметически закрытых аппаратах и, следовательно, при повышенном давлении пара химически связанная вода выделяется в капельно-жидком состоянии с образованием при температуре примерно 95 ... 100°С а-модификации полуводного гипса.

Обе модификации полуводного гипса отличаются между собой: модификация полугидрата отличается крупнокристаллическим строением.

Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный и высокопрочный гипсы.

Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельченного двуводного гипса. На отдельных заводах после обжига гипс подвергают вторичному помолу. Он относится к мелкокристаллической разновидности гипсового вяжущего вещества, что увеличивает водопотребность при затворении строительного гипса водой до стандартной консистенции теста. В отвердевшем состоянии обладает невысокой прочностью -- 2 ... 16 МПа. Но прочность на сжатие уменьшается с увлажнением образцов.

Гипс формовочный состоит также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола а-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15 ... 0,3 МПа. Вместо автоклавов возможно использование в качестве тепловой среды водных растворов некоторых солей, например хлористого кальция.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс) при температурах обжига (800 ... 950°С) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Начало схватывания наступает не ранее 2 ч, предел прочности при сжатии составляет 10 .,. 20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем у гипсовых вяжущих и ангидритового цемента.[8]

Сырьем для производства воздушной извести служат плотные известняки, ракушечники, мел, доломитизированные известняки при условии, что содержание глинистых примесей в них не превышает 6%. Сырье обжигают при температуре 1000 ... 1200°С до полного удаления углекислого газа. Обжиг известняка производится в печах различных конструкций: шахтных, вращающихся, с «кипящим» слоем, в циклонно-вихревых печах во взвешенном состоянии, а также на движущихся агломерационных решетках. Распространен обжиг в шахтных печах, которые надежны в эксплуатации, позволяют использовать местные виды топлива и требуют меньшего его расхода. (рис. 2.3.)



Рис.2.3.Шахтная печь: 1 -- загрузочное устройство; 2 -- отвод газов; 3 -- фурма; 4 -- выносной горн: 5 -- шлаковое окно; 6 -- штейновый шпур; 7 -- внутренний горн.

После обжига получают комовую известь или известь-кипелку (так ее называют из-за бурной химической реакции с водой). Это вещество обладает сильно развитой внутренней микропористостью и большим запасом свободной внутренней энергии, что проявляется при гашении комовой извести, т. е. присоединении воды с выделением большого количества теплоты.

Известняки при обжиге разлагаются на известь СаО и углекислый газ, который полностью удаляется. Реакция разложения известняка обратимая. Молекулярная масса СаСОз составляет 100, а извести -- 56, т. е. 44% массы теряется с углекислым газом, поэтому комовая известь обладает значительной пористостью.

Признаком высокого качества извести является высокое содержание в ней СаО + MgO. Недожог и пережог извести в печи снижают ее качество. Особенно опасен пережог -- остеклованная известь. Частицы пережога медленно гасятся с увеличением в объеме и могут вызвать трещины в штукатурке и изделиях.

Содержание чистых окислов CaO + MgO в общем количестве извести называют ее активностью. По активности и содержанию непогасившихся зерен определяется сорт извести.

Если комовую известь измельчить, получится молотая негашеная. Более распространена в строительстве известь гашеная, получаемая путем затворения водой негашеной извести.

При выделении теплоты часть воды гашения превращается в пар, под воздействием которого комовая известь превращается в тончайшие частицы гидратной извести размером в несколько микрон с высокой удельной поверхностью.

Гашение извести производится в условиях стройплощадки в творильных ящиках с сеткой для сцеживания разжиженного известкового теста (известкового молока) в гасильную яму, где оно выдерживается длительное время. В заводских условиях известь гасят в специальных барабанных гасителях. Гашение извести производят в пушонку или в известковое тесто. При расходе воды 1 л на 1 кг извести комовой известь превращается в тонкий рыхлый порошок со значительным увеличением в объеме; при расходе воды 2 ... 3 л на 1 кг извести получается известковое тесто, что тоже сопровождается увеличением в объеме. Для получения из пушонки известкового теста ее разбавляют водой. Обычно содержание воды в известковом тесте составляет примерно 50% (по массе). Гашеная известь медленно схватывается и твердеет, обладает низкой прочностью, поэтому кроме гашеной извести в строительстве применяют известь негашеную. По содержанию оксида магния в извести она подразделяется на кальциевую (MgO<5%), магнезиальную (MgO = 5 ... 20%) и доломитовую (MgO = 20 ... 40%); по времени гашения различают известь быстрогасящуюся (время гашения < 8 мин), среднегасящуюся (время гашения 8 ... 25 мин) и медленногасящуюся (время гашения не менее 25 мин).

Сырьем для магнезиальных вяжущих служат магнезит и доломит. Обжиг магнезита производится при температуре 750 ... 800°С (во вращающихся печах до 1000°С) до полного разложения MgСОз на MgO и СО2 с удалением углекислого газа. После помола MgO представляет собой воздушное вяжущее вещество, называемое каустическим магнезитом, оно имеет предел прочности при сжатии 40 ... 60 МПа, достигая иногда до 100 МПа.

Обжиг доломита производят при более низких температурах <в интервале 650 ... 750сС, так как при повышении температуры обжига начинает разлагаться и СаСОз с образованием извести.[10]

2.3 Применение воздушной извести, магнезиальных и гипсовых веществ

Рассмотренные разновидности гипсовых вяжущих веществ применяют для различных целей. Строительный и формовочный с большим успехом используется при производстве гипсовых перегородочных панелей, сухой штукатурки, гипсолитных деталей, вентиляционных коробов, огнезащитных и звукопоглощающих изделий. Широкое использование всех этих изделий обусловливается относительной влажностью воздуха не более 60%, так как увлажнение гипсового изделия всегда связано с понижением прочности и ростом необратимых пластических деформаций (ползучести). Известны определенные меры повышения водостойкости гипса и изделий, например добавлением синтетических смол, пропиткой гидрофобными веществами, интенсивным уплотнением при формовании изделий. Особенно эффективным способом повышения водостойкости является переход к смешанным вяжущим веществам на основе гипса.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс) применяют для изготовления декоративных и отделочных материалов, например искусственного «мрамора», штукатурных растворов, устройства бесшовных полов и подготовки под линолеум.

Особенностью применения магнезиальных вяжущих веществ является затворение их водными растворами магнезиальных солей, причем начало схватывания наступает не позднее 20 мин, а конец -- не позднее 6 ч. Магнезиальные вяжущие вещества имеют хорошее сцепление с органическими заполнителями и применяются для производства ИСК либо с древесными опилками (ксилолита), либо с древесной шерстью -- узкой и длинной древесной стружкой (фибролита). Ксилолит используется для изготовления бесшовных полов и облицовочной плитки, фибролит -- для производства теплоизоляционных изделий и перегородок помещений в поселковом строительстве.

Воздушная известь -- распространенное вяжущее вещество. Растворы из нее употребляют для каменной кладки. Для этой же цели можно пользоваться и смешанными растворами, состоящими из извести, портландцемента и песка. Они прочнее известковых и пластичнее цементных.

Известковые растворы применяют также для штукатурных работ как в смеси со строительным гипсом, так и без него. Извеетково-гипсовые растворы твердеют быстрее известковых, а схватываются медленнее гипсовых. Для штукатурных работ употребляют также известково-цементные растворы. Воздушную известь используют в смеси с активными минеральными добавками для приготовления известково-пуццолановых, известково-шлаковых и ряда других цементов. Известь применяют в качестве вяжущего при производстве известково-песчаных изделий и ряда других бесцементных строительных деталей. В чистом виде или в смеси с мелом и красителями известь служит материалом для побелок, окрасок и декоративных целей.

В настоящее время для строительных целей применяется лишь около половины всей выпускаемой извести. Остальное количество используется в химической, сахарной, металлургической, целлюлозно-бумажной и некоторых других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве.[9]

3. Инновационные технологии

3.1 Что такое инновация

Под инновацией (англ. "innovation" - нововведение, новшество, новаторство) понимается использование новшеств в виде новых технологий, видов продукции и услуг, новых форм организации производства и труда, обслуживания и управления. Понятия "новшество", "нововведение", "инновация" нередко отождествляются, хотя между ними есть и различия.

Под новшеством понимается новый порядок, новый метод, изобретение, новое явление. Словосочетание "нововведение" в буквальном смысле означает процесс использования новшества. С момента принятия к распространению новшество приобретает новое качество и становится нововведением (инновацией). Период времени между появлением новшества и воплощением его в нововведение (инновацию) называется инновационным лагом.

В соответствии с международными стандартами инновация определяется как конечный результат инновационной деятельности, получивший воплощение в виде нового или усовершенствованного продукта, внедренного на рынке, нового или усовершенствованного технологического процесса, используемого в практической деятельности, либо в новом подходе к социальным услугам.

Инновация не обязательно должна быть технической и вообще чем-то вещественным. Мало технических инноваций могут соперничать в своем влиянии с такой идеей, как продажа в рассрочку. Использование этой идеи буквально преображает экономику. Инновация - это новая ценность для потребителя, она должна отвечать нуждам и желаниям потребителей.[11]

3.2 Способ получения влагостойких изделий на основе гипса

Изобретение относится к способу получения влагостойкого изделия на основе гипса, включающему смешивание силоксановой эмульсии с водой для затворения, используемой для получения указанного изделия на основе гипса, смешивание небольшого количества намертво обожженного оксида магния с обожженным гипсом, смешивание указанной смеси силоксановая эмульсия/вода для затворения с указанной смесью обожженный гипс/оксид магния для образования водной суспензии и формование указанной суспензии и предоставление возможности отформованной суспензии затвердеть для образования влагостойкого изделия на основе отвердевшего гипса. Изобретение также относится к способу введения силоксана при образовании влагостойкого изделия на основе гипса, к гипсовой влагостойкой плите. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - повышение водоотталкивающих свойств изделий на основе гипса.

Настоящее изобретение относится к способу получения влагостойких изделий на основе гипса, например гипсовых плит, армированных гипсовых композитных плит, штукатурок, технологичных материалов, материалов для обработки мест соединения и звукоизолирующих плиток посредством добавления небольшого количества силоксана в водную суспензию, используемую для получения изделия на основе гипса. Более конкретно, настоящее изобретение относится к добавлению небольшого количества катализатора, представляющего собой обожженный при высоком нагреве оксид магния, в водную суспензию для улучшения отверждения силоксана.

Гипс представляет собой встречающийся в природе минерал, который обычно находят в старых котловинах солевых озер, вулканических отложениях и пластах глины. С химической точки зрения гипс является двуводным кристаллогидратом сульфата кальция (CaSO₄·2H₂O). Это вещество также получают как побочный продукт в различных промышленных способах.

Гидратную воду удаляют умеренным нагреванием двуводного кристаллогидрата сульфата кальция, в ходе способа, называемого кальцинирующим обжигом, и в зависимости от температуры и времени воздействия может образовываться либо полуводный кристаллогидрат сульфата кальция (CaSO₄ SH₂O), либо безводный сульфат кальция (CaSO₄). Термин «обожженный гипс» в том виде, как используется в данном документе, относится как к полуводной, так и безводной формам сульфата кальция.

Обожженный гипс способен реагировать с водой с образованием двуводного кристаллогидрата сульфата кальция, который представляет собой весьма твердый и жесткий продукт и в данном документе назван «отвердевшим гипсом».

Примером обычного продукта из гипса является гипсовая плита, которую широко используют в качестве конструкционной стеновой плиты. Вообще говоря, гипсовая плита включает в себя внутреннюю часть, полученную из водной суспензии обожженного гипса, который гидратируется с образованием отвердевшего гипса. Обычно плита имеет футеровку из бумажных листов, приклеенных к ее обеим поверхностям.

Характерной чертой отвердевшего гипса является то, что он имеет тенденцию поглощать воду. В качестве иллюстрации гипсовая внутренняя часть, не содержащая влагостойких добавок, может поглощать вплоть до 40-50 вес.% воды при погружении в нее примерно на 2 часа при температуре 70°F. В применениях, когда изделие из гипса подвергают воздействию воды или влажности, эта особенность является нежелательной. Поглощение воды гипсом ведет к снижению прочности изделия, делает изделие уязвимым по отношению к росту микроорганизмов и приводит к деламинированию поверхностей.

Гипсовую плиту можно также использовать в ванных комнатах в качестве подложки, которую покрывают пластиковой или керамической плиткой, и по этой причине ее часто называют «подкладным листом для плитки». В применениях таких, как эти, важным является то, что гипсовая плита проявляет хорошую влагостойкость.

Эти изделия предшествующего уровня техники, подобно обычной гипсовой стеновой плите, гипсовой плитке, гипсовому блоку, гипсовым слепкам и им подобным, обладают относительно невысокой устойчивостью по отношению к воздействию воды. Когда, например, обычную гипсовую стеновую плиту погружают в воду, плита быстро поглощает значительное количество воды и намного теряет свою прочность. Эксплуатационные испытания показали, что при погружении согласно тесту ASTM Test 1396 вещества внутренней части гипсовой плиты в воду на 2 часа примерно при 70°F поглощение воды сверх 40% является обычным. В прошлом делались многочисленные попытки улучшить влагостойкость изделий из гипса. Эти попытки включали введение водонепроницаемых материалов, таких как металлсодержащие мыла, асфальты, силоксаны, смолы и т.д., в дисперсию полуводного кристаллогидрата сульфата кальция. Они также включали попытки покрыть готовое изделие из гипса водонепроницаемыми пленками или покрытиями. В патенте Patent 2198776 авторами King и Camp раскрыт один конкретный пример прошлых попыток сделать гипс полностью водонепроницаемым посредством добавления водоотталкивающих веществ. Он иллюстрирует добавление парафина, силоксана, асфальта и т.п. в водную суспензию посредством распыления расплавленного материала в суспензию.

Настоящее изобретение относится к улучшенному способу получения влагостойких гипсовых композиций, которые включают силоксан для придания изделию из отвердевшего гипса влагостойкости.

Выражение «влагостойкий» следует понимать как означающее способность заранее изготовленного строительного элемента, как определено выше, ограничивать поглощение воды гипсовой основой при все еще сохраняющейся неизменности размеров и механической целостности строительного элемента, о котором идет речь.

В зависимости от страны эту влагостойкость классифицируют или регулируют специальными стандартами. Стандарты ASTM 630/630М-96а и ASTM 1398 требуют, в частности, чтобы при погружении такого изделия на основе гипса в воду на два часа поглощение воды гипсовой основой составляло менее 5% и абсорбция на поверхности (называемая эквивалентом Кобба) была менее 1,60 г/м².

В подобном способе трудно контролировать количество водоотталкивающего реагента, включенного в гипсовую основу, например, в форме силиконового масла, и поэтому не используется потенциал водоотталкивающего реагента.

Использование силоксанов для получения влагостойких изделий на основе гипса, таких как гипсовая стеновая плита, хорошо известно. Как правило, небольшое количество силоксана добавляют в водную суспензию, используемую для получения изделия на основе гипса, изделие формируют и высушивают.

Настоящее изобретение относится к способу получения влагостойких изделий на основе гипса, например гипсовых плит, армированных композитных гипсовых плит, штукатурок, технологичных материалов, материалов для обработки мест соединения и звукоизолирующих плиток посредством добавления в водную суспензию, используемую для получения изделия на основе гипса, небольшого количества силоксана и катализатора для улучшения отверждения силоксана. Способ заключается в смешивании силоксановой эмульсии с водой для затворения, используемой для приготовления вышеуказанного изделия на основе гипса, смешивании катализатора, представляющего собой намертво обожженный оксид магния, с обожженным гипсом, смешивании смеси силикон/вода со смесью гипс/оксид магния для образования водной суспензии и придании суспензии желаемой формы и предоставлении вышеуказанной сформованной суспензии возможности затвердеть для образования влагостойкого изделия на основе отвердевшего гипса.

Настоящее изобретение рассматривает использование примерно от 0,4 до 1% силоксана, исходя из массы обожженного гипса и других сухих ингредиентов. В предпочтительном способе эмульсию силоксан/вода получают на месте посредством смешивания силоксана с некоторой частью воды для затворения в высокоэффективном смесителе в течение нескольких секунд.

В предпочтительном варианте осуществления катализатор представляет собой обожженный при высоком нагреве оксид магния. Предпочтительно используют примерно от 0,1 до 0,5 вес.% оксида магния, если исходить из массы гипса.[13]

3.3 Способ получения портландцемента

Изобретение относится к производству строительных материалов. Способ получения портландцемента включает получение портландцементного клинкера, содержащего трехкальциевый силикат, двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит, спеканием исходной цементной сырьевой смеси, включающей кальциевый, алюмосиликатный, железистый компоненты и фторсодержащий минерализатор - фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия в количестве 0,1-0,25 вес.% в пересчете на фтор от исходной сырьевой смеси, охлаждение и помол клинкера с гипсом. По другому варианту изобретения в качестве фторсодержащего минерализатора используют смесь флюорита и указанных отходов при следующем их содержании, вес.% в пересчете на фтор: указанные отходы 0,1-0,2, флюорит - остальное до содержания фтора в сырьевой смеси 0,15-0,4 вес.%. В качестве указанных отходов используют пыль электрофильтров, или шлам газоочистки, или хвосты флотации угольной пены. Технический результат - снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера, повышение производительности и межремонтного периода печи, эффективности работы мельниц при помоле клинкера, утилизация отходов алюминиевого производства.

Предлагаемое изобретение относится к производству строительных материалов, конкретно к технологии приготовления исходной цементной сырьевой смеси, ее спеканию с последующим помолом клинкера и получением портландцемента.

Основным переделом производства портландцемента является обжиг до спекания компонентов исходной цементной сырьевой смеси, содержащей, в основном, кальциевый, алюмосиликатный и железистый компоненты. В зависимости от требований, предъявляемых к портландцементу, и состава основного исходного сырья в смесь вводят различные корректирующие активные добавки, в том числе минерализаторы.

Минерализаторы - вещества, которые активно участвуют в образовании клинкерных минералов при обжиге и сами частично входят в их состав. В качестве минерализаторов в цементной промышленности используют фосфогипс, флюорит, кремнефтористый натрий Na₂SiF₆, апатит Са₅(PO₄)₃F, гипс и др.

Из фторсодержащих минерализаторов наибольшее промышленное применение нашел флюорит CaF₂ (плавиковый шпат) - минерал, содержащий 48,8% F и 51,2% Са. В производстве цемента флюорит используют с примесями, при этом содержание основного вещества - фторида кальция (CaF₂) во фторсодержащем минерализаторе - может варьироваться от 30 до 95 вес.%.

Из уровня техники по патенту РФ 2060979 известны способ изготовления портландцемента и способ изготовления бетонных и железобетонных изделий на основе изготовленного портландцемента (С04В 7/02, 29.09.1995 г.), в которых в качестве минерализатора используют: фторид кальция, сульфат кальция, кремнегель, фосфогипс (см. п.12 формулы изобретения).

Также известен патент РФ 2304562 способ изготовления быстротвердеющего портландцемента и способ изготовления бетона на его основе (С04В 7/42, 12.04.2005 г.). Данное техническое решение выбрано за прототип (ближайший аналог) как наиболее близкое по технической сущности и наличию сходных признаков.