3. Виготовлення гіпсу, вапна, цементу

Мінеральними в'яжучими речовинами називають тонкоподрібнені порошки, що утворюють при змішуванні з водою пластичне тісто, яке під впливом фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібний стан. Цю властивість в'яжучих речовин використовують для приготування на їхній основі розчинів, бетонів.

Розрізняють мінеральні в'яжучі речовини: повітряного і гідравлічного тверднення.

Повітряні в'яжучі речовини твердіють і довго зберігають і підвищують свою міцність тільки в сухих умовах. До повітряних в'яжучих речовин відносяться гіпсові і магнезіальні в'яжучі, повітряне вапно і силікатне рідке скло.

До групи гідравлічних в'яжучих входять портландцемент* і його різновиди, пуцоланові і шлакові в'яжучі, глиноземистий цемент і гідравлічне вапно. Їх використовують як в надземних, так ів підземних та підводних конструкціях.

* Примітка: Портландцемент (від англ.. Portland – назва на півострова в Англії + цемент (складається із силікатів кальцію).

Гіпсові в'яжучі речовини поділяють на дві групи: низьковйпалювальні і високовипалювальні.

Низьковипалювальні гіпсові в'яжучі речовини отримують при нагріванні двоводного гіпсу СаSO₄ х 2Н₂0 до температури 150 – 160 °С з частковою дегідратацією двоводного гіпсу і розкладом його у напівводяний гіпс СаSО₄ х 0,5Н₂О.

Високовипалювальні (ангідритові) в'яжучі речовини одержують випалом дво­водного гіпсу при більш високій температурі до 700 – 1000 °С з повною втратою хімічно зв'язаної води і утворенням безводного сульфату кальцію – ангідриту СаSO₄.

Сировиною для виробництва гіпсових в'яжучих є природний гіпсо­вий камінь і природний ангідрид СаSO₄, а також відходи хімічної про­мисловості, що містять двоводний або безводний сірчанокислий кальцій, наприклад, фосфогіпс.

Виробництво гіпсу складається з подрібнення, помолу і термальної обробки (дегідратації) гіпсового каменя.

Застосовується гіпсове в'яжуче для виробництва гіпсових і гіпсобетонних будівельних виробів для внутрішніх частин будинків (перего­родок, панелей, сухої штукатурки, приготування гіпсових і змішаних розчинів, виробництва декоративних і оздоблювальних матеріалів, наприклад, штучного мармуру), а також для виробництва гіпсоцементно-пуцоланових в'яжучих.

Високоміцний гіпс є різновидністю напівводного гіпсу. Цей напівводяний гіпс дозволяє одержувати гіпсовий камінь з більшою щільністю і міцністю. Одержують його шляхом нагрівання природного гіпсу паром під тиском 0,2 – 0,3 МПа з наступ­ною сушкою при температурі 160 – 180 °С. Міцність його за 7 діб дося­гає 15 – 40 МПа. Високоміцний гіпс випускають у невеликій кількості і застосовують в основному в металургійній промисловості для виготов­лення литтєвих форм. Однак він успішно може замінити звичайне гіпсове в'яжуче, забезпечивши виробам високу міцність.

Формувальний гіпс має підвищену водопотребу, а затвердівши, має високу пористість. Цю властивість формувального гіпсу успішно використовують у керамічній і фарфоро-фаянсовій про­мисловості для виготовлення форм.

Будівельне вапно одержують шляхом випалу (до вилучення вуглекислоти) з кальцієво-магнієвих гірських порід — крейди, вапняку, доломіту.

Для виробництва тонкодисперсного будівельного вапна негашене вапно обробляють водою або розмелюють, вводячи при цьому міне­ральні добавки у вигляді гранульованих доменних шлаків, активні мінеральні добавки або кварцові піски. Будівельне вапно застосовують для приготування будівельних розчинів і бетонів, в'яжучих матеріалів і у виробництві штучних каменів, блоків і будівельних виробів.

Залежно від умов твердіння розрізняють будівельне вапно повітря­не, що забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і збережен­ня ними міцності в повітряно-сухих умовах, і гідравлічне, що забезпе­чує тверднення розчинів і бетонів і збереження ними міцності як на повітрі, так і в воді.

Повітряне вапно за хімічним складом основного оксиду буває кальцієве, магнезіальне і доломітове: Повітряне вапно поділяють на негашене і гідратне (гашене), що отримали гасінням кальцієвого, маг­незіального і доломітового вапна.

Будівельне негашене вапно за часом гасіння поділяють на такі ви­ди: швидкого – не більше 8 хв, середнього – не більше 25 хв, повіль­ного – більше 25 хв.

Будівельне повітряне вапно одержують з кальцієво-магнієвих карбонатних порід.

Технологічний процес отримання вапна складається з видобутку вап­няку в кар'єрах, його підготовки (подрібнення і сортування) і обпалю­вання. Після випалу відбувається помол комового вапна, при цьому одержують молоте негашене вапно, або після гасіння комового вапна водою, одержують гашене вапно.

Основним процесом при виробництві вапна є обпалювання, при якому вапняк декарбонізується і перетворюється на вапно за реакцією:

СаСО₃ = СаО + СО₂.

Повітряне вапно широко застосовують для приготування будівель­них розчинів, для виго­товлення штучних кам'яних матеріалів – силікатної цегли, силікат­них і піносилікатних виробів, шлакобетонних блоків.

Транспортують комове вапно навалом, захищаючи від зволоження і забруднення, а молоте — в спеціальних паперових мішках або метале­вих закритих контейнерах. Вапняне тісто перевозять у спеціально для цього пристосованих кузовах самоскидів. Вапно негашене повинне зберігатися в закритих складах, захищених від попадання вологи. Гідратне вапно можна зберігати нетривалий час у мішках і сухих скла­дах. Молоте вапно не слід зберігати більше 30 діб, бо воно поступово гаситься вологою повітря і втрачає активність.

Портландцемент є найважливішою в'яжучою речовиною. З вироб­ництва і застосування він займає перше місце серед інших в'яжучих речовин.

Винахід портландцементу (1824 р.) пов’язаний з іменами Єгора Герасимовича Челієва – начальника майстерень військово-робітничої бригади і Джозефа Аспдіна – муляра з англійського міста Лідса.

Портландцемент – гідравлічна в'яжуча речовина, що твердне у воді і на повітрі. Його одержують тонким помолом опаленої до спікання си­ровинної суміші вапняку і глини, що забезпечує домінування силікатів кальцію. Сировинна суміш,що спеклася у вигляді зерен розміром до 40 мм, називається клінкером, від якості його залежать найважливіші властивості цементу: міцність і швидкість її зростання, довговічність, стійкість у різноманітних експлуатаційних умовах.

Сировина для виробництва портландцементу повинна містити 75 – 78 % СаС0₃ і 22 – 25 % глини. Гірські породи, що задовольняють означені вимоги, в природі зустрічаються рідко. Тому для виробництва портла­ндцементу поряд з вапняком і глиною слід застосовувати так звані на­повнювачі, що коригують склад і містять значну кількість одного з ок­сидів, якого не вистачає в сировинній суміші.

Цементна промисловість дедалі ширше починає вико­ристовувати побічні продукти, наприклад, відходи різних галузей про­мисловості – доменні шлаки, нефелиновий шлам (відходи виробни­цтва глинозему) та ін. Використання в цементній промисловості побічних продуктів і відходів інших галузей – великий крок у роз­робці маловідхідної технології, що сприяє охороні навколишнього се­редовища.

Як паливо застосовують природний газ, скорочується використання кам'яного вугілля і мазуту Сьогодні вітчизняна цементна промис­ловість значною мірою працює на газоподібному паливі як найбільш ефективному.

Технологічний процес виробництва портландцементу складається з та­ких основних операцій: видобутку вапняку і глини, підготовки сировин­них матеріалів і добавок, що коригують склад та властивості, приготу­вання з них однорідної суміші заданого складу, випалу суміші і помолу клінкеру в тонкий порошок разом з гіпсом, а інколи з добавками.

Залежно від приготування сировинної суміші розрізняють два основ­них способи виробництва портландцементу: мокрий і сухий.

При мокрому способі сировинні матеріали подрібнюють і змішують у присутності води і суміш у вигляді шихти випалюють у печах, що обертаються.

При сухому способі матеріали подрібнюються, змішуються і випа­люються в сухому вигляді.

Останнім часом дедалі ширше починає застосовуватися спосіб, що комбінує приготування сировинної суміші, при якому сировинну суміш підготовлюють за мокрим способом, після цього шихту висушують і з неї виробляють гранули, які випалюють за сухим способом.

* Примітка: За міцністю цемент поділяється на марки, які визначаються граничною міцністю при стиску половинок зразків-призм розміром 40 х 40 х 160 мм, виготовлених з цементного розчину складу 1 до 3 з кварцевим піском. Марки визначаються в числах 100 – 600 (як правило з відстанню 100), які показують міцність при стиску 10 – 60 МПа.