Основы технологий промышленности строительных материалов

Все строительные материалы по техническим признакам подразделяются на следующие группы:

1. Природные каменные материалы: рыхлые (песок, щебень, глина); штучные (мрамор, туф);

2. Неорганические вяжущие материалы (полученные на основе минерального сырья – портландцемент, известь, гипс).

3. Строительные растворы и бетоны на основе неорганических вяжущих: кладочные растворы, штукатурные растворы и т.д.

4. Керамические материалы и изделия, полученные из глин и обожженные (черепица, керамический кирпич, керамзит)

5. Материалы из минеральных растворов (минеральная вата)

6. Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия как штучные, так и рыхлые (теплоизоляционный бетон, ячеистый - силакпор)

7. Битумные и дегтевые материалы и изделия на их основе для кровли и гидроизоляции (толь, рубероид)

8. Полимерные строительные материалы (лаки, краски, линолеум, плёнки)

Неорганические вяжущие материалы подразделяются на:

1. Воздушные – которые при затворении их водой образуют пластичное тесто, а со временем твердеют и набирают прочность только на воздухе.

2. Гидравлические – которые при затворении их водой образуют пластичное тесто и со временем твердеют и набирают прочность, как на воздухе, так и в воде.

Ярким представителем воздушных вяжущих веществ является воздушная известь и строительный гипс.

Строительная воздушная известь – это продукт обжига кальциево- магниевых пород (СаСО₃, MgСО₃), состоящих преимущественно из оксидов Са:

t = 1050 – 1250 ^оС

СаСО₃ СаО + СО₂

Температура выше обозначенной приводит к спеканию частиц и снижению качества извести. Оксид кальция (СаО) называется комовой известью-кипелкой (негашеная известь).

Другой вид извести — гашёную, получают путем взаимодействия оксида кальция с водой:

СаО + Н₂О= Са (ОН)₂ + Q

Гашённая (гидратная) известь бывает трёх видов:

1. Если СаО гасится малым количеством воды (например, парами воды), то получается гидратная известь в виде лёгких частиц – известь-пушенка.

2. Если СаО затворить водой до образования сметанообразной массы, то полученную массу называют известковое тесто.

3. При затворении водой СаО до получения литой массы, образовавшийся материал называют известковым молоком.

Основные технологические операции изготовления извести-кипелки следующие:

- добыча сырья;

- подготовка сырья и топлива к обжигу, состоящая в основном из его дробления и помола;

- обжиг – основная и самая дорогостоящая технологическая операция;

- охлаждение полученного материала.

Для получения гидратной (гашеной) извести добавляется операция гашения: затворение водой в соответствующем количестве или обработка паром.

Известь широко применяется практически во всех отраслях народного хозяйства (табл. 3.1.)

Таблица 3.1.

Применение известняка и извести в различных отраслях промышленности.

Отрасль	Цель применения
1. Промышленность строительных материалов (около 23%).   2. Строительство (около 25,5%).   3. Черная металлургия (около 23%) 4. Цветная металлургия (около 12,2%) 5. Химическая промышленность (около 10%) 6. Пищевая промышленность (5%) 7. Целлюлозно-бумажная промышленность (около 0,5%) 8. Сельское коммунальное хозяйство (около 0,8%)	Используется в силикатных строительных материалах (силикатный кирпич, силикат, бетон и т. д.). Различные виды растворов и водорастворимых красок. При флюсовании руд. При флюсовании руд. Производство соды, карбида кальция, гипохлорита. При производстве сахара. Для регенерации (восстановления) шлама. Для обработки почвы (кислые золы, песок) для чистки и дезинфекции.

 

Строительный гипс. Гипсовые вяжущие вещества – это тонко измельченные продукты тепловой обработки двуводного сульфата кальция. Гипс получают в основном из горной породы, которая называется природный гипсовый камень ( СаSО₄ · 2Н₂О).

В результате тепловой обработки при температуре 160 – 180 ^оС получается полуводный гипс:

160 – 180 ^оС

СаSО₄ · 2Н₂О СаSО₄ + 2Н₂О

Технология производства гипсовых вяжущих включает в себя следующие основные операции:

1. Подготовка сырья (измельчение гипсового камня).

2. Тепловая обработка (используются шахтные печи, варочные котлы и вращающиеся печи).

3. Охлаждение, расфасовка и складирование.

Строительный гипс используют как добавку в растворы, в бетоны, в качестве вяжущего материала, в гипсокартонных изделиях, при заливке полов, изготовлении сантехкабин.

Преимущества строительного гипса:

- простота технологического процесса;

- быстрое схватывание и твердение, способствующее сокращению производственного цикла;

- низкая себестоимость продукции.

К недостаткам следует отнести низкую его водостойкость и невысокую прочность.

Гидравлические вяжущие вещества — ценнейшая группа вяжущих материалов, основным представителем которой является портландцемент.

Портландцемент — это продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера и гипса (от 1,5-5% от массы клинкера). Гипс добавляют для регулирования сроков схватывания портландцемента.

Портландцементный клинкер — это продукт спекания(~1450 ^оС) сырьевой смеси из карбонатных горных пород (СаСО_3, MgСО₃ ≈ 75%) и глины (~ 25%). В качестве сырья может использоваться природный материал называемый мергель, вещественный состав которого близок требуемому соотношению сырьевых компонентов.

Наряду с природными сырьевыми материалами при производстве портландцемента широко использую отходы промышленности, самым распространенным из которых является доменный гранулированный шлак.

Кроме основных сырьевых материалов при производстве портландцемента используют так называемые корректирующие добавки, которые восполняют дефицит определенных химических элементов в сырьевой смеси: пиритные огарки, бокситы и т.д.

В результате рационально подобранной и обожженной смеси образуются минералы портландцементного клинкера, придающие портландцементу вяжущие свойства:

1. Алит (3CaO · SiO₂);

2. Белит (2CaO · SiO₂);

3. Трехкальциевый алюминат (3CaO · Al₂O₃)

4. Четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО· Al₂O₃· Fe₂O₃)

При затворении водой эти минералы образуют нерастворимые соединения:

3CaO · SiO₂ · nН₂О, 3CaO · Al₂O₃· nН₂О, 4СаО· Al₂O₃· Fe₂O₃· nН₂О.

Технология производства портландцемента зависит от способа его изготовления. Выбор того или иного способа производства зависит от вида сырьевых материалов и от общего технического уровня производства:

1.Сухой (измельчение сырья без воды).

2. Мокрый (измельчение сырья в присутствии воды).

3. Комбинированный (смешанный) – измельчение сырьевых компонентов в присутствии воды и последующее ее отфильтровывание.

Самый важный и дорогой процесс при изготовлении портландцемента ¾ это обжиг. Он осуществляется во вращающихся печах. На рисунке 3.1 приведены основные технологические переделы изготовления портландцемента.

Подготовка сырьевых компонентов

(дробление, измельчение)

Обжиг (максимальная температура 1450 ^оС)

 

Охлаждение клинкера

Помол клинкера с гипсом

 

Складирование портландцемента

 

Рис. 3.1. Краткая схема производства портландцемента

 

Хранение портландцемента осуществляется в железобетонных банках (силосах), диаметром 8-15 м., высотой 25-30 метров.

 

Свойства портландцемента:

1. Тонкость помола (2800-3800 г/см²);

2. Водопотребность (необходимое количество воды в процентах от массы цемента, для получения цементного теста нормальной густоты);

3. Сроки схватывания (определяются с момента затворения портландцемента водой и до того момента, когда соответствующие приборы зафиксируют начало и конец схватывания);

4. Прочность портландцемента на сжатие и изгиб;

5. Активность и марка портландцемента:

R = Р / S,

где R – прочность, МПа/см²;

Р – разрушающие усилие, МПа;

S – площадь поверхности испытываемого образца, см².

Марка определяется по пределу прочности на сжатие при соответствующей величине предела прочности при изгибе, округленная в меньшую сторону до ближайшей марки.

Основные виды портландцемента:

- быстротвердеющий цемент (БТЦ);

- высокопрочный цемент ВПЦ.

- Шлакопортландцемент ШПЦ;

- Сульфатостойкий портландцемент СПЦ;

- Пуццолановый портландцемент ППЦ;

- Расширяющийся портландцемент РПЦ;

- Белый портландцемент БПЦ;

- На основе белого цветной ПЦ.

Портландцемент применяют:

- в бетонных и железобетонных конструкциях (блоки, стеновые, фундаментные, плиты стеновые, колоны, балки и т.д.).

- для бетонирования поверхностей;

- для замоноличевания стыков;

- для заделки различных скважин (нефтяных, газовых) и др.

Основы технологии производства бетона.

Бетон – искусственный каменный материал, полученный в результате твердения рационально подобранной и тщательно перемешанной сырьевой смеси, состоящей из вяжущего материала, крупного и мелкого заполнителей, воды и необходимых добавок.

Классификация бетона осуществляется по следующим признакам:

1. По плотности:

- особо тяжелый, (r_m свыше 2500 кг/м³⁾;

- тяжелые бетоны (ρ_m в пределах 1800 ÷ 2500 кг/м³);

- легкие бетоны на пористых заполнителях, ячеистые бетоны (ρ_m = 500 - 1800 кг/м³);

- особо легкие бетоны ( ρ_m = 500 кг/м³).

2. По виду вяжущего бетоны подразделяются на:

- цементные бетоны;

- силикатные бетоны;

- шлакощелочные бетоны;

- гипсовые вяжущие;

- полимербетоны;

- бетоны на смешанных видах вяжущих и др.

3. По крупности используемого заполнителя бетоны бывают:

- крупнозернистые бетоны;

- мелкозернистые бетоны;

- крупнопористые бетоны;

- малощебеночные бетоны.

Технология производства тяжелого бетона включает следующие основные технологические переделы:

Подготовка сырьевых материалов

(промывка крупного и мелкого заполнителя, рассев по фракциям крупного и мелкого заполнителя, приготовление водных растворов добавок и др.)

Перемешивание сырьевых компонентов

(перемешивание осуществляется в смесителях различного типа)

Формование

(естественное - без дополнительных внешних воздействий и с дополнительными механическими воздействиями на бетонную смесь)

Твердение

(в естественных условиях при повышенной влажности и температуре 18 ÷ 22 ^оС, в течение 28 суток; для ускорения твердения применяют тепловлажностную обработку изделий ¾ пропаривание или запаривание).

тепловлажностная обработка

Пропаривание Температура 90-100 оС , Р = 1 атм. (пропарочная камера)

Запаривание Температура 175-200 оС , Р ¾ повышенное, в среднем Р = 8-10 атм. (установка - автоклав)

Т,оС, Р,МПа   t,час

Режим ТВО – представляет скорость набора температуры, время, в течение которого происходит подъем, изотермическая выдержка и время снижения температуры.

 

Распалубка изделий, маркировка, складирование.

(данные операции осуществляются на специально оборудованных постах, на складе готовой продукции)

 

Рис. 3.2. Принципиальная технологическая схема производства бетонных изделий