Дать общие сведения о строительной воздушной извести; описать производство, гашение, твердение воздушной извести

Строительной воздушной известью называется продукт, получаемый из известковых и известково-магнезиальных карбонатных пород обжигом их до возможно полного удаления углекислоты и состоящий преимущественно из оксида кальция. ([2] стр 136). Содержание примесей глины, кварцевого песка и т. п. в карбонатных породах не должно превышать 6—8%. При большем количестве этих примесей в результате обжига получают гидравлическую известь.

Воздушная известь относится к классу воздушных вяжущих: при обычных температурах и без добавок пуццолановых веществ она твердеет лишь в воздушной среде.

Различают следующие виды воздушной извести: известь негашеную комовую; известь негашеную молотую; известь гидратную (пушонку); известковое тесто.

Известь негашеная комовая представляет собой смесь кусков различной величины. По химическому составу она почти полностью состоит из свободных оксидов кальция и магния с преимущественным содержанием СаО. В небольшом количестве в ней могут присутствовать неразложившийся карбонат кальция, а также силикаты, алюминаты и ферриты кальция и магния, образовавшиеся во время обжига при взаимодействии глины и кварцевого песка с оксидами кальция и магния.

Известь негашеная молотая — порошковидный продукт тонкого измельчения комовой извести. По химическому составу она подобна комовой извести.

Гидратная известь — высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением комовой или молотой негашеной извести соответствующим количеством жидкой или парообразной воды, обеспечивающим переход оксидов кальция и магния в их гидраты. Гидратная известь состоит преимущественно из гидроксида кальция Са (ОИ)2, а также гидроксида магния Mg (OH)2 и небольшого количества примесей (как правило, карбоната кальция).

Известковое тесто — продукт, получаемый гашением комовой или молотой негашеной извести водой в количестве, обеспечивающем переход оксидов кальция и магния в их гидраты Са (ОН)2 и Mg (OH) и образование пластичной тестообразной массы. Выдержанное тесто содержит обычно 50—55% гидроксидов кальция и магния и 50—45% механически и адсорбционно связанной воды.

Сырьем для производства воздушной извести служат горные породы, содержащие в основном углекислый кальций — мел, известняк, известковые туфы и т. д. Разработку залежей известняка ведут открытым способом с помощью взрывных работ с последующей погрузкой породы на транспортные средства одноковшовыми экскаваторами.

Размеры кусков поставляемой с карьера породы достигают 50 — 60 см и более. Требуемая величина кусков породы, поступающих на обжиг, определяется типом обжигового агрегата. Загружаемый в шахтную печь известняк имеет обычно размеры 60 — 200 мм.

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема производства строительной воздушной извести При обжиге во вращающихся печах применяют фракции 5 — 20 мм или 20 — 40 мм. Поэтому поступающую с карьера породу необходимо дробить.

Дробленый материал подвергается рассеву на грохотах, что обеспечивает постоянство фракционного состава. Основа получения известковых вяжущих — обжиг карбонатсодержащих пород. При производстве воздушной извести известняк и мел декарбонизируются и превращаются в известь по реакции СаСО3>CaO+ СО2.

Как правило, обжигу подвергают твердые карбонатные породы в виде кусков, но возможна и тепловая обработка меловых шламов.

Температура разложения карбоната кальция зависит от парциального давления углекислоты в окружающем пространстве. Разложение СаСО3 начинается уже при 6000С, и с повышением температуры реакция ускоряется. При 9000С парциальное давление углекислоты достигает атмосферного, поэтому данную температуру иногда называют температурой разложения известняка. Дальнейшее повышение температуры значительно увеличивает скорость разложения, но отрицательно сказывается на качестве извести — ухудшает ее реакционную способность вследствие роста размеров кристаллов.

При обжиге кусков в первую очередь декарбонизируются поверхностные слои. Образующаяся известь вследствие высокой пористости и малой теплопроводности тормозит передачу теплоты вглубь кусков. Чем толще слой извести, тем выше его сопротивление проникновению теплоты и тем более высокие температуры нужны для передачи теплоты в глубину. Поэтому практически температура обжига всегда выше теоретической. Ее устанавливают на каждом заводе в зависимости типа печи и других факторов — плотности сырья, наличия примесей, размера частиц (кусков) сырья и т. д. Чем плотнее и чем более крупнокристалличным является сырье, тем выше требуемая температура обжига. Наличие глинистых примесей облегчает удаление СО и снижает температуру обжига. Однако чем больше в извести примесей, тем при более низкой температуре наступает ухудшение ее свойств. Уже при 1000 — 11 000С возникает опасность пережога поверхности кусков извести. В заводских условиях температура обжига карбоната кальция составляет 1050−12 000С, причем под температурой обжига понимают не температуру в печи, а температуру обжигаемого материала.

Для завершения процесса обжига необходимо определенное время, в течение которого материал должен находиться в печи. Скорость перемещения зоны диссоциации СаСО3 по куску зависит от температуры обжига: при 9000С она составляет примерно 2 мм/ч, а при 11 000С — 14 мм/ч, т. е. обжиг идет в 7 раз быстрее. Для повышения производительности печей желательно уменьшение размеров кусков в допустимых пределах. При обжиге кусков различной крупности режим процесса определяют исходя из времени, необходимого для обжига кусков средних размеров. Характер процессов, протекающих при обжиге мела или известняка, зависит также от содержания в них примесей, влияющих на свойства обожженного материала.

Рисунок 2. Шахтная печь: а) распределение зон обжига в шахтной печи: б) температурный режим при обжиге извести: 1 — температура материала; 2 — температура горячих газов; I — зона подогрева; II — зона обжига; III — зона охлаждения;

Обжиг ведут в шахтных или вращающихся печах. В шахтных печах можно обжигать только твердые породы (известняк, мрамор и др.), а во вращающихся — как твердые породы, так и шламы мягких пород, например мела. Повышение температуры ускоряет реакцию разложения карбоната кальция, но излишне высокая температура обжига негативно сказывается на качестве продукта, так как развивается явление «пережога». Наибольшее распространение для производства извести получили шахтные печи, высота которых достигает 20 м. В шахтной печи различают (считая сверху вниз) три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. В зоне подогрева из известняка и топлива (в случае использования твердого топлива — кокса или антрацита) удаляется влага. Известнякнагревается до температуры начала диссоциации, а топливо — до температуры воспламенения. В зоне обжига за счет сгорания топлива или поступления продуктов его сгорания из топок (в случае работы печи на жидком или газообразном топливе) достигается максимальная температура материала и активно происходит диссоциация СаСО3 и MgCO3. [3].

В третьей зоне материал охлаждается поступающим в печь снизу воздухом.

Известь воздушная отличается от других вяжущих веществ тем, что может превращаться в порошок не только при помоле, но и путем гашения — действием воды на куски комовой извести.

Гашение — специфический технологический процесс, используемый только в производстве извести. Выделяющаяся теплота вызывает кипение воды, поэтому негашеную известь называют «кипелкой».

Гидратация различных видов извести происходит по следующим уравнениям:

кальциевая известь СаО + Н2О Са (ОН)2 + Q;

доломитовая известь (при обычном гашении) СаО + MgO + Н2О Са (ОН)2 + MgO + Q;

доломитовая известь (при автоклавном гашении) СаО + MgO + 2Н2О Са (ОН)2 + Mg (ОН)2 + Q;

Q — количество теплоты, равное 1160 кДж на 1 кг оксида кальция. [4].

Доломитовая известь вследствие пережога MgO гидратуется при высокой температуре 185 oС и давлении 9 атм. [3].

Теоретически для гашения извести в пушонку, необходимо 32,13% воды от веса СаО. Практически в зависимости от состава извести, степени ее обжига и способа гашения количество воды берут в два, а иногда и в три раза больше, так как в результате выделения тепла при гашении происходит парообразование и часть воды удаляется с паром. На скорость гашения извести оказывают влияние температура и размеры кусков комовой извести: с повышением температуры ускоряется процесс гашения; особенно быстро он протекает при гашении паром при повышенном давлении в закрытых барабанах.

По окончании гашения жидкое известковое тесто через сетку сливают в известехранилище, где его выдерживают до тех пор, пока полностью не завершится процесс гашения. Известковое тесто с размером непогасившихся зерен менее 0,6 мм можно применять сразу. Крупные непогасившиеся зерна опасны тем, что среди них могут быть пережженные.

Содержание воды в известковом тесте не нормируется. Обычно в хорошо выдержанном тесте соотношение воды и извести около 1:1.

Процесс твердения очень длительный, и полной карбонизации извести практически не происходит, хотя поверхностная карбонизация протекает достаточно быстро. Существует мнение, что при длительном контакте извести с кварцевым песком в присутствии влаги между этими компонентами происходит взаимодействие с образованием контактного слоя из гидросиликатов. Это также повышает прочность и водостойкость бетонов и кирпичной кладки на извести, имеющих возраст более 200…300 лет.

Твердение гашеной извести Согласно теории твердения известковых растворов, изложенной Ю. М. Буттом, два одновременно протекающих процесса обуславливают твердение: испарение механически перемешанной воды и постепенная кристаллизация гидрата извести из насыщенного раствора. Карбонизация извести идет так же под действием углекислого газа, который в небольшом количестве содержится в воздухе:

Са (ОН)2 + СО2 + nН2O СаСО3 + (n+1)Н2O.

Процесс карбонизации имеет при твердении извести второстепенное значение. Гораздо важнее испарение воды, сопровождающееся кристаллизацией гидроксида кальция. Высыхание вызывает уплотнение студнеобразной массы с нарастанием прочности твердеющих известковых растворов. Образующиеся кристаллы срастаются друг с другом, с зернами песка и с кристаллами углекислой извести.

Твердение молотой негашеной извести Молотую негашеную известь получают путем тонкого размола комовой извести без предварительного гашения.

Гидратационное твердение негашеной молотой извести приводит к быстрому обезвоживанию раствора и его более высокой прочности. При правильно подобранном водоизвестковом отношении (0,9−1,5) кристаллы гидроксида кальция, получившиеся при гидратации окиси кальция непосредственно в материале (CaO.H2O), срастаются между собой и быстро образуют прочный кристаллический сросток.

Отрицательно влияет на гидратное твердение негашеной извести пережог. Замедленная гидратация крупных кристаллов окиси кальция (крупнее 10—20 мкм) в уже затвердевшем известковом камне вызывает дополнительные некомпенсируемые напряжения. Поэтому количество пережога в молотой негашеной извести не должно превышать 3—5%.