Загрузка...Химические реакции при получении цемента
Как происходит процесс затвердевания бетона
В своей самой простой форме бетон — это смесь пасты и наполнителей. Паста, сделанная из портланд-цемента и воды, покрывает поверхность наполнителя. Во время химической реакции под названием «гидратация», паста затвердевает и «набирает силу», формируя камнеподобный материал, известный как бетон.
В этом процессе и заключается отличительная особенность бетона: он пластичен и гибок, когда только что смешан, и надежен и прочен после затвердевания. Это объясняет, почему из одного материала — бетона — строят небоскребы, мосты, тротуары, суперхайвеи, дома и дамбы.
Пропорции материалов в бетоне
Ключ к изготовлению надежного, крепкого бетона — тщательный подбор пропорций и смешивание материала. Смесь, в которой недостаточно пасты, чтобы заполнить всю пустоту между частицами наполнителя, будет трудно размещать, она даст неровные поверхности и пористый бетон. Смесь с переизбытком цемента размещать будет легко, а ее поверхность будет гладкой; однако в результате бетон не оправдает свою стоимость и будет легко трескаться.
Химия портланд-цемента начинает действовать в присутствии воды. Цемент и вода формируют пасту, покрывающую каждую частицу наполнителей — камней и песка. В результате бетон затвердевает и становится крепче.
Качество пасты определяет характеристики бетона. Прочность пасты, в свою очередь, зависит от отношения воды к цементу. Оно рассчитывается делением веса воды на вес цемента. Для получения хорошего бетона нужно понизить это отношение насколько возможно, не жертвуя при этом «работоспособностью» свежего бетона, позволяющей ему должным образом размещаться, схватываться и выравниваться.
Подобранная как следует смесь обладает желаемой гибкостью в свежем виде и надежностью в затвердевшем. Обычно смесь состоит из 15% цемента, 60-75% наполнителей и 15-20% воды. Также она может содержать 5-8% воздуха.
Другие ингредиенты
Почти любая природная питьевая вода без ярко выраженного вкуса и запаха может использоваться как компонент для бетона. Излишние примеси не только могут повлиять на время схватывания и прочность бетона, но и привести к изменению его цвета, пятнам, коррозии арматуры, нестабильности объема и уменьшению прочности. В требованиях к бетонным смесям также установлены ограничения на хлориды, сульфаты, алкалиды и твердые частицы в воде для тех случаев, когда определить влияние примесей на бетон невозможно с помощью тестов.
Хотя почти любая питьевая вода подходит для бетонных смесей, наполнители выбирают очень тщательно. Они составляют 60-70% общего объема бетона. Тип и размер используемых наполнителей зависит от плотности и цели конечной бетонной продукции.
Процесс гидратации бетона
Вскоре после того, как наполнители, вода и цемент соединяются, смесь начинает затвердевать. Все портланд-цементы — гидравлические. Они затвердевают благодаря гидратации — химической реакции с водой. При этой реакции на поверхности каждой частицы цемента формируется узел. Он растет и расширяется, пока не связывается с узлами других цементных частиц или близлежащим куском наполнителя.
Когда бетон тщательно перемешан и готов к использованию, его нужно поместить туда, где смесь затвердеет.
При размещении бетон закрепляют, чтобы лучше заполнить форму и чтобы избавиться от потенциальных недостатков, таких, как «соты» и «воздушные карманы».
Для брусков бетон оставляют до тех пор, пока влажная пленка на поверхности исчезнет, после чего его выравнивают специальным деревянным или металлическим «поплавком». Это дает относительно гладкую, но слегка шершавую текстуру, которая не скользит и зачастую является конечной стадией для строительного бетонного бруса. Если же требуется совсем гладкая, твердая, плотная поверхность, после этого его разглаживают стальным мастерком.
Уход за бетоном нужно начинать, когда поверхность достаточно затвердела, чтобы сопротивляться повреждениям. Он помогает убедиться, что гидратация продолжается и цемент все еще набирает силу. Бетонные поверхности обрызгивают водой или используют влагосохраняющие ткани, такие как брезент или хлопок. Другие методы ухода предотвращают испарение воды, запечатывая поверхность пластиковыми или другими специальными спреями, называемыми «смеси для ухода».
Специальные технологии ухода используются при экстремально жаркой или холодной погоде, чтобы защитить бетон. Чем дольше он остается влажным, тем сильнее и прочнее он станет. Время затвердевания зависит от состава и однородности цемента, пропорций смешивания и температурных условий. В основном, гидратация и затвердевание бетона происходит в первый месяц жизненного цикла бетона, но он продолжает гидрироваться на протяжении многих лет, хоть и медленнее.
Вопросы
Вопросы к зачету по дисциплине «Химия»:
1. Кислые и основные соли, их получение в конкретных системах, расчеты по уравнениям соответствующих реакций.
2. Факторы, влияющие на скорость химических реакций.
3. Закон действия масс. Особенности его применения к реакциям в гетерогенных системах.
4. Константа скорости химической реакции.
5. Расчет изменения скорости реакции при изменении концентраций и давления.
6. Влияние температуры на скорость химических реакций. Правило Вант-Гоффа.
7. Расчет изменения скорости по известному коэффициенту скорости и обратно.
8. Состояние химического равновесия.
9. Константа равновесия. Расчет константы равновесия по исходным и равновесным концентрациям и обратно.
10. Принцип Ле-Шателье, определение сдвига равновесия в системах при изменении температуры, давления и концентраций. Применение к гетерогенным системам.
11. Квантовые числа как характеристики состояния электронов в атоме.
12. Принцип Паули.
13. Электронные и электронно-графические формулы элементов.
14. Порядок заполнения подуровней. Максимальное число электронов на подуровнях.
15. Атомная электронная орбиталь. Порядок заполнения орбиталей на подуровне.
16. Правило Хунда, его иллюстрация на конкретных примерах.
17. Значения квантовых чисел для электронов в атомах конкретных элементов.
18. Объяснение причины периодического изменения свойств элементов на основе строения их атомов.
19. Нахождение элемента по особенностям строения его электронной оболочки.
20. Основное и возбужденное состояние атомов.
21. Способы выражения концентрации растворов.
22. Расчет молярности и нормальности раствора по массовой доле растворенного вещества.
23. Расчет изменения концентрации при разбавлении раствора.
24. Коллигативные свойства растворов.
25. Количественные характеристики процесса электролитической диссоциации.
26. Задачи на закон разбавления.
27. Способы смещения равновесия процессов электролитической диссоциации.
28. Условия необратимости ионных реакций.
29. Ионное произведение воды.
30. Водородный показатель.
31. Расчет изменения рН по изменению концентраций ионов Н + и ОН — .
32. Расчет величины рН растворов кислот и оснований с известной концентрацией.
33. Гидролиз солей, молекулярные и молекулярно-ионные уравнения гидролиза.
34. Движущая сила гидролиза
35. Основные случаи гидролиза солей.
36. Степень и константа гидролиза.
37. Изменения величины рН растворов солей в результате гидролиза
38. Выпадение в осадок гидроксидов и основных солей при обменных реакциях между солями с гидролизующимися ионами.
39. Коллоидные растворы (золи), их отличия от истинных. Строение мицеллы.
40. Написание формул мицелл золей, полученных конденсационным методом в известных условиях.
41. Жесткость воды. Её влияние на эффективность моющих средств. Образование накипи. Единицы измерения жесткости.
42. Карбонатная и некарбонатная жесткость. Возникновение карбонатной жесткости.
43. Определение общей и карбонатной жесткости методами титрования.
44. Расчет величины жесткости по известному содержанию солей или катионов и анионов в воде.
45. Основные способы устранения жесткости. Термический метод умягчения. Известковый и известково-содовый методы умягчения. Ионообменные способы умягчения и обессоливания воды.
46. Расчет количества осадка или умягчителя по известным величинам исходной и остаточной жесткости и обратно.
47. Реакции окисления — восстановления, их уравнивание методами электронного баланса или электронно-ионным.
48. Основные способы получения металлов. Металлотермия. Гидротермия.
49. Закономерности ряда напряжений металлов.
50. Взаимодействие металлов с водой и кислотами.
51. Реакции металлов с концентрированной серной кислотой. Причины различия окислительных свойств разбавленной и концентрированной серной кислоты.
52. Реакции металлов с азотной кислотой в зависимости от ее концентрации и активности металла.
53. Расчет объема выделяющегося газа по массам реагирующих металла и кислоты.
54. Взаимодействие металлов с растворами щелочей.
55. Расчет состава смеси металлов по количеству выделившегося газа при реакции со щелочью или кислотой.
56. Гальванический элемент. Процессы на электродах. Роль пористой перегородки.
57. Понятие об электродном потенциале.
58. Водородный электрод. Стандартные электродные потенциалы металлов и ряд напряжений.
59. Коррозия металлов и факторы, влияющие на ее процесс.
60. Химическая и электрохимическая коррозия. Анодный и катодный процессы.
61. Взаимодействие металла с кислотой в присутствие соли менее активного металла или при контакте с более активным металлом.
62. Коррозия под действием неравномерной аэрации и блуждающих токов.
63. Классификация способов защиты металлов от коррозии.
64. Анодные и катодные металлические покрытия, примеры таких покрытий на железе.
65. Реакции на электродах при коррозии металла с покрытием или с примесями в различных средах.
66. Протекторная защита и электрозащита.
67. Легирование стали.
68. Общая характеристика воздушных вяжущих веществ. Основные представители воздушных вяжущих веществ. Особенности применения воздушных вяжущих веществ.
69. Расчеты по реакциям получения и твердения вяжущих.
70. Воздушная известь: сырье, реакция при обжиге. Процесс гашения извести. Состав и свойства негашеной и гидратной извести, реакция твердения. Роль песка в известковых растворах.
71. Гипсовые вяжущие, влияние условий обжига на их состав и свойства. Твердение полуводного гипса.
72. Магнезиальный цемент, его получение, твердение и применение. Фибролит.
73. Жидкое стекло, способы получения, модуль реакции твердения.
74. Портландцемент: сырье для его получения и химические реакции при обжиге сырьевой смеси. Минералогический состав клинкера.
75. Реакции при твердении портландцемента. Роль добавки гипса, реакция образования эттрингита.
76. Расчет минералогического состава клинкера портландцемента по известному химическому составу или по количеству продуктов твердения.
77. Классификация процессов коррозии бетона, приготовленного на основе портландцемента. Механизм разрушения при различных типах коррозии.
78. Пуццолановые добавки, их влияние на твердение и свойства вяжущих на основе портландцемента.
79. Гипсоцементопуццолановые вяжущие, их состав, получение и твердение.
80. Глиноземистый цемент, его получение, твердение, важнейшие свойства и условия применения. Отличия глиноземистого цемента от портландцемента по составу, условиям обжига, свойствам, стойкости камня.
81. Общие свойства спиртов и фенолов. Реакции дегидратации спиртов. Получение фенола.
82. Формальдегид, его получение и основные свойства.
83. Полимеры, химическое звено, степень полимеризации. Расчет средней молярной массы по степени полимеризации.
84. Цепная полимеризация и ступенчатая полимеризация, протекающая с выделением низкомолекулярного продукта (по типу поликонденсации) и без выделения низкомолекулярного продукта.
85. Механизм радикальной полимеризации мономеров винилового и дивинилового рядов.
86. Термопластичные и термореактивные полимеры, примеры их получения.
87. Три физических состояния линейных полимеров. Высокоэластическое состояние.
88. Особенности полимеров пространственного строения по отношению к нагреванию.
Технология производства цемента
Цемент — это один из наиболее востребованных строительных материалов. Его определяющим свойством является способность кристаллизоваться в процессе химической реакции с водой. Благодаря этому, используя цемент, можно получить изделие практически любой формы с прочностью природного камня. Однако, процесс получения цемента достаточно сложный и многокомпонентный, он требует доступа к определённым природным ископаемым и наличия больших производственных мощностей.
Технология производства цемента начинается с добычи известняка в специальном карьере. В нижних слоях известняк имеет меньше примесей, а в верхних он содержит большое количество различных минералов, таких как кремний, окись алюминия и железо. В дальнейшем для получения цемента определённого класса, различные по составу породы смешивают в необходимом соотношении.
Добыча осуществляется за счёт взрыва породы. В стене карьера бурится отверстие требуемой глубины и в него закладывают взрывчатку. После детонации часть породы осыпается на дно карьера. Сырьё погружается в самосвалы грузоподъёмностью 50 тонн, которые доставляют известняк на цементный завод.
Здесь большие куски породы проходят через первичную дробилку, она измельчает камни на обломки размером 7-10 см. После первого дробления по конвейеру известняк доставляется во вторичную дробилку, на выходе из которой фракция материала не превышает 4-5 см. Породы с различным количеством углекислого кальция дробятся отдельно. Каждая складывается в отдельную кучу, чтобы в дальнейшем можно было взять из них требуемое количество в определённой пропорции для изготовления смеси той или иной марки.
Полученная после смешения раздробленных пород сырьевая масса проходит процедуру измельчения до состояния каменной муки. В эту муку добавляют минеральные компоненты, такие как кремний, железо или окись алюминия. Количество добавок зависит от процентного содержания этих элементов в исходной породе.
Каменная мука поступает в подогреватель, где при температуре 800 °С все минералы соединяются между собой. Специальная химическая реакция внутри подогревателя убирает до 95% двуокиси углерода из порошка. Также на этом этапе происходит отделение извести. Далее материал поступает в большую вращающуюся цилиндрическую печь, где его нагревают до 1700 °С. Уже при 1500 °С порошок сплавляется в небольшие камни, которые называются клинкером.
Клинкер на выходе из печи резко охлаждается мощными вентиляторами до температуры 80 °С. Охлаждённые куски поступают в последнюю цилиндрическую дробилку, которая наполнена большим количеством металлических шаров. Вращаясь вокруг своей оси, дробилка смешивает клинкер с шарами и в процессе трения образуется порошковый цемент.
Это сухой способ производства цемента . Получение портландцемента мокрым способом более трудозатратно. Технологическая схема данного метода подразумевает мокрый помол известняка после первичного дробления. В результате необходимости испарения влаги из клинкерной смеси, вся процедура требует на 30-40% больше энергии.
ЦЕМЕНТЫ
Получение. Сырьем для получения цементов служат прир. материалы (известковые, глинистые, мергелистые, гипсовые, глиноземистые породы) и пром. отходы (металлургич. и топливные шлаки, золы от сжигания углей, белитовый шлам, отходы от переработки нефелиновых пород и др.).
Произ-во цементов включает приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, их тонкий помол, перемешивание, корректировка хим. состава смеси), обжиг сырьевой смеси, тонкий помол обожженного продукта (клинкера) до порошкообразного состояния вместе с небольшим кол-вом гипса, активными (шлак, зола, гемза) и неактивными при взаимод. с водой (кварц, карбонатные породы) минер. добавками и др. в-вами, придающими цементам нужные св-ва (напр., пластификаторы, гидрофобные добавки).
В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинир. способы произ-ва. При сухом способе сырье (известняк и глина) в процессе дробления и помола в мельницах высушивается и превращается в сырьевую муку, после чего мука поступает на обжиг. При мокром способе помол сырьевых компонентов осуществляют в мельницах в присут. воды, к-рую вводят для понижения твердости, интенсификации процесса помола и уменьшения удельного расхода энергии. Влажность сырьевой смеси (шлама), поступающего на обжиг, при мокром помоле составляет 34-43% по массе; для снижения влажности шлама к сырьевой смеси добавляют сульфитно-дрожжевую бражку, триполифосфат Na или ПАВ. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по предыдущей схеме, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется в гранулы и поступает на обжиг.
Обжиг сырьевой смеси осуществляют при 1450 °С во вращающихся (редко шахтных) печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр, в загрузочную часть к-рого подается сырьевая смесь, а со стороны выгрузки (головки) печи через форсунку — топливо (см. Печи). Сырьевая смесь движется по направлению к головке печи, подвергаясь действию нагретых топочных газов. Вращающуюся печь условно разделяют на неск. технол. зон. В зоне сушки под действием отходящих топочных газов сырьевая смесь подсушивается, в зоне подогрева нагревается до 500-600 °С и переходит в зону кальцинирования (900-1200 °С), в к-рой происходит разложение СаСО3. Получающийся СаО в твердом состоянии взаимод. с составными частями глины и железистого компонента с образованием в экзотермич. зоне 2CaO x SiO2, 5СаО x 3А12О3, 3СаО x А12O3, 4CaO x Al2O3 x Fe2O3, 2CaO x Fe2O3, а также СаО, MgO и др. оксидов.
В зоне спекания при т-ре 1450 °С обжигаемый материал (клинкер) частично плавится; в этой зоне образуется главный минерал клинкера ЗСаО x SiO2. При дальнейшем прохождении по печи клинкер попадает в зону охлаждения (т-ра 1000-1200 °С). Холодный клинкер дробят и тонко измельчают вместе с гипсом и др. добавками в барабанных шаровых мельницах, а затем транспортируют в железобетонные цилиндрич. емкости — т. наз. цементные силосы.
Свойства. При взаимод. цементов с водой — гидратации, затворении — первоначально образуется пластичное цементное тесто, к-рое со временем на воздухе или в воде уплотняется, теряет пластичность и превращается в т. наз. цементный камень. Безводные минералы клинкера превращаются при этом в соответствующие гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты(III) Са, напр.:
ЗСаО x SiO2 + 2H2O 
Ca2SiO4 x Н2О + Са(ОН)2
Ca2SiO4 + Н2О 
Ca2SiO4 х Н2О ЗСаО х А12О3 + 6Н2О 
ЗСаО х А12О3 х 6Н2О
Образовавшийся Са(ОН)2 под действием СО2 воздуха постепенно превращается в СаСО3, гидроалюминаты Са с гипсом в присут. воды дают двойные основные сульфаты, напр. Са6А12(ОН)12(SО4)3 x26Н2О и Ca4Al2(OH)12SO4 x6H2O. При получении бетона образовавшийся Са(ОН)2 с СО2 воздуха и SiO2 превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов Са.
Табл. 1.-ОСНОВНЫЕ ЦЕМЕНТЫ
