Физико - химические свойства твердения вяжущих веществ

Содержание
Физико-химические свойства твердения вяжущих веществ
Введение
Физико-химические основы твердения вяжущих веществ
Минеральные вяжущие вещества. Технология их производства
Процесс твердения вяжущих веществ
Изучение структурно-механических свойств
Гипсовые вяжущие вещества
Магниевые вяжущие вещества
Фосфатные вяжущие вещества
Заключение
Список литературы.

Физико - химические свойства твердения вяжущих веществ

Производство цементов состоит из следующих операций:
- добыча сырья;
- дробление и помол исходных материалов;
- гомогенизация сырьевой смеси;
- обжиг сырьевой смеси;
- помол обожженной сырьвой смеси – клинкера в тонкий порошок.
Добыча сырья, дробление, помол и гомогенизация сырьвой смеси производят на оборудовании, аналогичном оборудованию, используемому для керамической, стекольной и огнеупорной промышленности. Обжиг проводят во вращающихся и в шахтных печах при температуре около 1450 градусов. Вращающиеся печи, представляющие наклонный стальной барабан, для обжига клинкера применяют чаще всего. Поступающий на обжиг материал, который заполняет не более 15% пространства печи, движется навстречу топочным газам. Длина печей для получения цементного клинкера может составлять от 60 до185 м (3,7).
Кроме минеральных веществ в сырьевую смесь добавляют компоненты, ускоряющие обжиг - это фториды щелочных и щелочноземельных металлов, соли кремнефтористоводородной кислоты и компоненты – разжижители типа сульфатно-спиртовой барды или триполифосфата натрия.
В процессе обжига сырьевая смесь высушивается и нагревается до 500 – 600 ° С, в результате чего происходит выгорание органических веществ и дегидратация глинистых минералов. На следующем этапе при повышении температуры до 900 – 1200 °С происходит разложение карбоната кальция и взаимодействие с алюмо- и ферросиликатами. В интервале температур 1200 – 1300 °С происходит ускорение экзотермической реакции (с выделением тепла) оксида кальция и кислотными оксидами, в результате которой образуются силикат кальция 2CaO SiO2, алюминаты 5CaOAl2O3 , 3 CaOAl2O3 и алюмоферриты кальция 4CaOAl2O3Fe2O3. Кроме того в клинкере сохраняются примесные оксиды и оксида кальция и магния.
При температуре 1450 °С материал в печи спекается, частично расплавляется и появляется жидкая фаза, которая затем в зоне обжига кристаллизуется. Двухкальциевый силикат 2CaOSiO2 при 1450 град. переходит почти полностью в трехкальциевый силикат 3CaO SiO2 .
Процесс твердения вяжущих веществ
Механизм твердения вяжущих веществ изучался уже в 19 веке Ле-Шателье, в 20 веке продолжали изучение процессов твердения на примере наиболее распространенного вяжущего материала – портландцемента.
Ле-Шателье предложил кристаллизационную теорию твердения. Согласно этой теории, вяжущее вещество растворяется в воде до насыщения, а образующиеся гидратные соединения выпадают в осадок, образуя при этом кристаллические сростки. Но эта теория не объясняла многое в поведении вяжущих веществ при твердении.
Для объяснения процесса твердения вяжущих веществ были привлечены методы коллоидной химии. А.А. Байковым была разработана коллоидно-топохимическая теория твердения, которая представляла процесс твердения в виде трех стадий:
- растворение безводного цемента в воде до образования и насыщения гидрооксидом кальция;
- коллоидацию раствора;
- кристаллизацию с образованием кристаллического сростка за счет перекристаллизации мелких кристалликов в крупные кристаллы гидрооксида кальция (4).
Работы П.А. Ребиндера, А.Ф Полака и многих других ученых уточняли и корректировали теорию твердения, что, как уже говорилось, позволило разработать новые эффективные составы, а также выбирать катализаторы и ускорители процесса твердения в зависимости от состава и задаваемых конечных свойств материалов.
Процесс твердения можно рассматривать на наиболее широко применяемом вяжущем материале – портландцементе, имеющем типичный минеральный состав.
Минералогический состав портландцемента следующий:
- 40-60 % трисиликата кальция 3CaO SiOз;
- 15-35 % дисиликата кальция 2CaO SiO2;
- 4 -14 % аалюмината кальция 3 CaOAl2O3 ;
- 10-18 % алюмоферрита кальция 4CaO Al2O3 Fe2O3 .
В других видах цементов также находятся указанные выше вещества. Тампонажный цемент отличается большим содержанием трисиликата кальция, а в белом портландцементе содержание желизистых компонентов сведено к минимуму. В пуццолановом портландцементе содержится также активная минеральная добавка, в шлакоцемент вводят 3070 % доменного гранулированного шлака. В составе глиноземистого цемента преобладают низкоосновные алюминаты – CaO Al2O3 , 5 CaO 3Al2O3 и CaО 2Al2O3, за счет чего глиноземистый цемент характеризуется быстрым нарастанием прочности в начальный период твердения, а также повышенной экзотермией и жаростойкость.
Как видно из приведенных данных основными компонентами клинкера являются силикаты и алюмината кальция. Процесс твердения заключается в гидратации силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.
При затворении, т.е. смешивании клинкера в виде тонкомолотого порошка с водой протекают реакции образования гидросиликатов и гидроалюминатов, которые можно описать следующими реакциями:
3 CaO SiO2 + H2 O → x CaO SiO2 m H2 O + (3-x) Ca(OH) 2
2 CaO SiO2 + n H 2 O → 2CaO SiO2 n H2 O
3 CaO Al 2 O3 + 6H 2O → 3СаO Al2O3 6 H2O
4CaO Al2O3 Fe 2O3 + m H2 O → 3CaO Al 2 O3 6 H2 O +CaO Fe 2O3 n H2O
3CaO Al2O3 6H2O + 3 (CaSO4) 2H 2O) +19 H2O =
= 3CaO Al2O3 3 CaSO4 31H 2O
Для описания процесса присоединения воды - гидратации разработано две теории, объясняющие механизм гидратации. Согласно первой теории гидратация происходит с образованием раствора и затем из раствора выпадают – кристаллизуются новые вещества. Согласно второй теории гидратация протекает в твердой фазе, без образования жидкой. Экспериментальные исследования процесса гидратации вяжущих материалов могут протекать и тем и другим путем в зависимости от состава и свойств выжущих веществ. Может наблюдаться протекание процесса гидратации, протекающему по двум механизмам, причем один из них может быть пребладающим (4).
Гидратация и твердение кренийсодержащихкомпонентов при обычных температурах зависят от соотношения количеств воды и твердого вещества. При большом избытке воды происходит гидролиз силикатов нацело и без твердения:
3 CaO SiO2 + H2 O → 3Ca(OH) 2 + SiO2 (m-3) H2 O.
В этом случае гидроокись кальция растворяется, а кремнекислота остается в осадке.
При ограниченном количестве воды часть гидроокиси кальция образует пересыщенный или насыщенный раствор, а часть кристаллизуется. Остальное количество гидроокиси кальция входит в состав гидросиликатов, устойчивых в насыщенном растворе 3Ca(OH) 2 . Эт и реакции описывают следующим уравнением:
k 3CaO SiO2 + l H2 O → m Ca(OH) 2 + n Ca(OH) 2 +
твердая раствор