Обжиг гипса

При изготовлении гипса в небольших количествах гипсовый камень можно обжигать в обычных русских печах. Печь протапливают так же, как для выпечки хлеба; когда дрова сгорят, уголь и золу разгребают в стороны. На очищенный под загружают ровным слоем куски гипсового камня. Величина кусков должна быть не больше 10 см. Печь закрывают заслонкой, края которой промазывают глиной. Через 12—16 часов печь открывают и выгружают обожженный гипс. За один раз в русской печи можно обжечь 150—200 кг гипсового камня. В течение месяца в русской печи можно обжечь 4—6 т гипсового камня.
При большей потребности гипс обжигают в камерных и напольных печах, предназначенных для обжига кирпича, черепицы, извести, или горнах для обжига гончарных изделий. Однако в таких печах получается значительная часть намертво обожженного гипса, потерявшего вяжущие свойства в результате пережога.
Лучшей для обжига гипса является малогабаритная печь. Она позволяет провести обезвоживание гипсового камня при умеренной температуре. В малогабаритной печи между топкой и обжиговой камерой устраивают смеситель, в котором топочные газы смешиваются с наружным воздухом и пропускаются в обжиговую камеру при температуре не выше 300°.
Обжиг (обезвоживание) гипса в малогабаритной печи производят следующим образом. На колосниковую решетку укладывают гипсовый камень: сначала крупные куски, затем средние, последние ряды на высоту 30 см загружают мелкими кусками. Закончив загрузку камня, ходок в печи закладывают кирпичом в один ряд на глиняном растворе и начинают прогрев печи на малом огне. В начале топки шиберы печи должны быть закрыты, а заслонка камеры-смесителя — открыта примерно на одну треть. После того как загружаемые дрова начнут быстро воспламеняться, проверяют температуру в обжиговой камере. Контроль за температурой ведут через смотровые отверстия, в которые вводится термометр. Отрегулировав температуру на 200°, ее поддерживают на таком уровне в течение трех часов. Когда из трубы печи перестанет выходить густой белый пар, а появится прозрачный газ, топку прекращают, закрывают заслонку камеры-смесителя и открывают полностью шиберы. Через час-полтора открывают ходок и приступают к выгрузке гипса. Первая выгрузка должна вестись в присутствии обжигальщика, который проверяет, не оказалось ли в каком углу печи недожога, с тем чтобы при следующей загрузке в этом углу уложить камни менее плотно. После трех-четырех оборотов печи обжигальщик научится правильно вести как загрузку печи, так и процесс обжига.
Обожженный гипс сортируют, из него удаляют куски недожженного камня, что определяется по цвету, плотности и весу камня.
Обжиг плотного глиногипса (ганч, гажа) производится так же, как и чистого двуводного гипса. Арзык, имеющий землистую сыпучую структуру, обжигают при температуре 250—280° на больших противнях или примитивных огневых зерносушилках с металлическими коробами для зерна. Обжиг ведут при постоянном перемешивании материала и более длительное время.
Помол обожженного гипса производят на жерновых поставах, в шаровых — обычных и примитивных мельницах, на молотковых дробилках, а также с помощью тяжелых металлических или каменных катков на бетонной площадке. Молотый гипс просеивают через сито с 64 отверстиями на 1 см2. Отсев, не прошедший через сито, подвергают повторному помолу. Варка гипса. Чтобы получить гипс более высокого качества, его обезвоживают в специальных варочных котлах. Котел представляет собой вертикально поставленный цилиндр диаметром 1500—2000 мм, высотой 700—1200 мм, изготовленный из листовой стали толщиной 12—15 мм. К нижнему краю котла, с внутренней стороны, приваривают металлическое кольцо, на которое укладывают чугунное дно. Для устранения внутренних напряжений, возникающих вследствие температурных колебаний, дно делают не сплошным, а из отдельных секторов. Сверху над котлом устанавливают крестовину для крепления вертикальной мешалки.
Котел устанавливают на кирпичных стенках. Под его днищем выкладывают топку с поддувалом, а по бокам на 7/8 высоты котла выкладывают стенки на расстоянии 100 мм от котла для образования вокруг него канала, по которому горячие газы проходят из топки в дымовую трубу. Сверху котел закрывают крышкой с патрубком для отвода пара и пыли и двумя люками. Один из люков служит для засыпки молотого необезвоженного гипса, а другой — для наблюдения за ходом варки. Над котлом устраивают бункер для засыпки молотого гипса. Подачу сырья в котел регулируют задвижкой, устроенной внизу бункера.
Варку гипса производят так. Когда котел достаточно нагреется, пускают мешалку и открывают задвижку в бункере — засыпают в котел небольшими порциями гипс. После того как первая порция гипса нагреется до 50—60°, засыпают вторую порцию и так далее, пока котел не будет полностью загружен. Обычно на это уходит 35—40 минут. Когда температура в котле поднимется до 100—120°, из гипса начнет бурно выделяться влага и масса начнет как бы кипеть; при температуре 130° кипение прекращается. При дальнейшем нагреве до 160° кипение начинается снова, но уже менее бурно. Когда второе кипение закончится, это наступает при температуре 170—180°, варку прекращают и готовый гипсовый порошок выгружают из котла.

11) Цемент получается при нагревании извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67% СаО, 22% SiO2, 5% АI2О3, 3% Fе2O3 и 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и ферритная фаза. В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.

Алит является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50-70%. Это трехкальциевый силикат, Са3SiО5, состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg2+, АI3+ и Fе3+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.

Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15-30%. Это двукальциевый силикат Ca2SiО4, модифицированный введением в структуру инородных
ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде, В-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки. Через год прочности чистого алита и чистого белита в сравнимых условиях примерно одинаковы.

Содержание алюминатной фазы составляет 5-10% для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат Са3Аl2O6, существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов, особенно Si4, Fe3+, Nа + и К+. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент, обычно гипс.

Ферритная фаза составляет 5-15% обычного цементного клинкера. Это - четырехкальциевый алюмоферрит Ca2AIFeО5, состав которого значительно меняется при изменении отношения AI/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в поздние сроки.

Типы цемента

Подавляющее большинство цементов, производимых во всем мире, предназначается для использования в обычном строительстве. Технические условия, которым должны соответствовать цементы, во всех странах схожи, но не идентичны, и часто используются различные наименования одного и того же материала: например, " ОРС" (ordinary portland cement, обычный портландцемент) в Великобритании или " тип 1 портландцемента" в США. Мы используем термин " обычные" цементы, чтобы отличить эти цементы широкого назначения от других типов цемента, изготовляемых в небольших количествах для специальных целей.

Технические условия в общем случае базируются частично на химическом составе и физических свойствах, таких, как удельная поверхность, и частично на данных испытаний, таких, как время схватывания и прочность на сжатие, развиваемая при стандартных условиях. Содержание MgО1) обычно ограничивается 4 или 5%, так как количество этого компонента, превышающее примерно 2%, склонно существовать в виде периклаза (оксид магния), который из-за медленной реакции с водой может вызвать деструктивное расширение твердеющего бетона. Свободная известь (оксид кальция) тоже может себя вести подобным образом, и возможность ее образования устанавливает на практике верхний предел содержания алита в клинкере; в технических условиях в Великобритании это регулируется параметром, определяющим химический состав и называемым " коэффициентом насыщения известью". Избыток SO3 также может привести к замедленному расширению верхний предел содержания этого компонента устанавливается обычно в 2, 5 - 4, 0%. Оксиды щелочных элементов (К2О и Na2О) могут давать с определенными компонентами реакции, приводящие к расширению материала, и некоторые национальные технические условия лимитируют их содержание, например до 0, 6% эквивалента Nа2О (Na2О + О, 66 К2О). Другие верхние пределы состава, широко используемые в технических условиях, связаны с нерастворимым в разбавленной кислоте остатком и потерей при прокаливании. Содержание многих других второстепенных компонентов необходимо ограничивать из-за их влияния на процесс производства, или на свойства, или на то и на другое вместе, и в некоторых случаях допустимое содержание определено в технических условиях.

Быстротвердеющие цементы можно получить различными путями. Это, например, изменение состава, с тем чтобы увеличить содержание алита; более тонкий помол клинкера; усовершенствования в самом процессе производства, а именно более тонкий помол или лучшее перемешивание сырьевых материалов. Содержание алита в цементах за последние полтора века, в течение которых производился цемент, постоянно увеличивалось, и многие современные цементы, которые сейчас считаются обычными, описывались бы как быстротвердеющие всего лишь несколько десятилетий тому назад. В технических условиях США быстротвердеющие цементы называются цементами с высокой ранней прочностью или цементами типа ПI.

Деструктивное расширение из-за реакции с сульфатами может возникнуть не только в случае, если последние присутствуют в цементе избытке, но и при воздействии на бетон сульфатных растворов. В реакцию вовлекаются А12Оз - содержащие фазы в затвердевшем цементе, а в сульфатостойком портландцементе влияние сульфатов понижается за счет уменьшения доли алюминатной фазы, иногда до нуля. Это достигается понижением отношения А12Оз/Fе2Оз в сырьевых материалах. В США сульфатостойкие цементы называются цементами типа V.

Белые портландцементы получаются при увеличении отношения А12O3/Fе2O3 и таким образом они по составу противоположны сульфатостойким цементам. Обычная темная окраска цемента связана с присутствием ферритной фазы, образование которой в белых цементах, следовательно, должно быть предотвращено. На практике не удается обойтись без сырьевых материалов, которые полностью свободны от Fе2О3 или других компонентов, таких как Мn2О3, вносящих свой вклад в окраску. Поэтому влияние этих компонентов обычно минимизируют, получая клинкер в слабо восстановительных условиях и при быстрой закалке. В дополнение калиту, белиту и алюминатной фазе может образовываться некоторое количество стекла.

Реакция цемента с водой экзотермична, и, будучи преимуществом в некоторых случаях, поскольку ускоряется твердение, в других это может быть недостатком, например, при строительстве больших дамб или плотин или при футеровке нефтяных скважин, когда цементное тесто нужно нагнетать под давлением на большое расстояние, а иногда и при высокой температуре.

Медленное выделение тепла достигается при более грубом помоле и уменьшении суммарного выделения тепла путем понижения содержания алита и алюминатной фазы. В США разработаны технические условия для цементов типа II, как цементов со средним тепловыделением при твердении, и цементов типа IV, или цементов с низким тепловыделением. Цементы типа II годятся также для использования в сооружениях, подвергающихся умеренному сульфатному воздействию. Тепловыделение может быть понижено и при частичной замене цемента на пылеобразную золу топлива (золу уноса) или на другие материалы, и в настоящее время это, по-видимому, наиболее обычное решение проблемы.