Свойства воздушной извести и области ее применения

Воздушной известью называется продукт, получаемый путем обжига до возможно более полного выделения углекислоты кальциево-магниевых карбонатных пород, содержащих не более 6% глины.

В зависимости от последующей обработки обожженного продукта различают следующие виды воздушной извести:

негашеную комовую известь-кипелку, состоящую главным образом из СаО;

негашеную молотую известь того же состава;

гидратную известь-пушонку в виде тонкого порошка, полученного гашением комовой извести определенным количеством воды и состоящего в основном из Са(ОН)2;

известковое тесто, полученное гашением комовой извести избыточным количеством воды и состоящим из Са(ОН)2 и механически примешанной воды.

На свойства извести большое влияние оказывает содержание в известняках примесей глины, углекислого магния, кварца и др.: чем больше глинистых и песчаных примесей, тем более тощей получается известь. Известь, свободная от примесей, быстро гасится, выделяя при этом много тепла, и дает высокопластичное тесто.

В зависимости от содержания окиси магния различают воздушную известь маломагнезиальную (MgO не более 5%), магнезиальную (MgO 5—20%) и доломитовую (MgO 20—40%). С увеличением содержания MgO известь гасится медленнее, так как Mg(OH)2 менее растворим в воде, чем Са(ОН)2.

В зависимости от температуры, развивающейся при гашении, различают низкоэкзотермическую (с температурой гашения ниже 70° С) и высокоэкзотермическую (с температурой гашения выше 70° С) известь..По скорости гашения известь бывает быстрогасящейся (со скоростью гашения до 20 мин) и медленногасящейся (со скоростью гашения свыше 20 мин). В зависимости от содержания в извести СаО и MgO известь делится ка два сорта: в извести I сорта СаО и MgO должно быть не менее 85, а в извести II сорта — не менее 70% (от веса извести).

Известь применяют как в чистом виде, так и с добавками — молотыми доменными или топливными шлаками и золами, вулканическим пеплом, пемзой, туфом, кварцевым песком, гипсовым камнем, трепелом.

Порошкообразная смесь негашеной извести и карбонатных пород (известняка) называется карбонатной известью.

Негашеная известь

Исходным материалом для производства комовой негашеной извести являются преимущественно плотные известняки, мел, доломитизи-рсванные известняки, доломиты и т. д. Технологический процесс получения негашеной комовой извести состоит из добычи известняка, его подготовки (дробления и сортировки) и обжига. После обжига комовую известью размалывают, получая молотую негашеную известь.

Основным процессом при производстве извести является обжиг, при котором известняк декарбонизируется и превращается в известь (СаО) по реакции:

СаСОз + 42,52 ккал +* СаО + СО2.

Из уравнения следует, что для разложения одной грамм-молекулы СаСОз на СаО и СОг необходимо затратить 42,52 ккал тепла, а для разложения 1 кг СаСОз — 425,2 ккал. В заводских условиях температура обжига известняка обычно составляет 1000—1200° С и устанавливается в зависимости от плотности известняка, наличия примесей, типа печи и ряда других факторов. При обжиге из известняка удаляется углекислый газ, составляющий до 44% его веса, объем же продукта уменьшается всего до 10%, поэтому куски комовой извести имеют пористую структуру.

Обжигают известняк в различных печах: шахтных, вращающихся и

«кипящего» слоя; используют также установки для обжига известняка

во взвешенном состоянии и т. д. Наибольшее распространение получили

шахтные известеобжигательные печи. В зависимости от вида применяе

мого топлива и способа его сжигания различают шахтные печи, рабо

тающие: 1) на короткопламенном твердом топливе, вводимом обычно в шах

ту перемежающимися с известняком слоями; такой способ обжига на

зывают «пересыпным», а сами печи — пересыпными (36);

2) на любом твердом топливе, газифицируемом или сжигаемом е

выносных топках;

3) на жидком топливе;.

4) на газовом топливе.

Применяют также печи, в которых известняк обжигается за счет сжигания короткопламенного топлива, вводимого в шахту вместе с сырьем, и длиннопламенного топлива, одновременно сжигаемого в выносных топках.

По характеру процессов, протекающих в шахтной печи, по ее выср-те различают три зоны. В верхней части печи зона подогрева (зона а на 36); здесь материал подсушивается и подогревается раскаленными дымовыми газами и выгорают органические примеси. В средней части печи располагается зона обжига (зона б), где температура обжигаемого материала изменяется в пределах 850 -> 1200 ~» 900° С; здесь разлагается известняк и из него удаляется углекислый газ. В зоне охлаждения—нижняя часть печи (зона в) —-известь охлаждается с 900 до 50—100° С поступающим снизу воздухом, который в свою очередь нагревается и попадает в зону обжига для поддержания горения.

Противоточное движение обжигаемого материала и горячих газов в шахтной печи позволяет хорошо использовать тепло отходящих газов на подогрев сырья, а тепло обожженного материала — на подогрев воздуха, переходящего в зону обжига. Поэтому пересыпные шахтные печи экономичны по расходу топлива, однако известь в них загрязняется золой топлива. Обжиг на природном газе или жидком топливе позволяет значительно улучшить?:ачество извести, однако конструкции шахтных печей, использующих эти виды топлива, требуют усовершенствования, особенно в отношении подачи топлива в печь.

Вращающиеся печи позволяют получать известь высокого качества. В них можно механизировать и автоматизировать процессы обжига, применять все виды топлива — пылевидное, твердое, жидкое и газообразное, но они отличаются большим расходом топлива, повыщенными капиталовложениями и расходом электроэнергии.

Весьма эффективным является обжиг

в «кипящем» слое, обеспечивающий быст

рую передачу большого количества тепла

от газа к обжигаемому материалу. Такие

установки отличаются высокой производи

тельностью. Обжигают известь «в кипя

щем» слое (37) в реакторе, представ

ляющем собой металлическую шахту, от^

футерованную внутри и разделенную по

высоте решетчатыми сводами на 3—5 зон.

Материал из одной зоны в другую переда

ется через трубки, имеющие ограничитель.

Высота «кипящего» слоя определяется

расстоянием от переливной трубки до ре

шетки. По периферии реактора расположе

ны горелки для газа или мазута. Много-

зонность реактора позволяет получать из

весть высокого качества при небольшом

расходе топлива. Применение в известко

вой промышленности установок для обжи

га карбонатных пород в «кипящем» слое

позволяет рационально использовать боль

шие количества мелких фракций сырья,

образующихся обычно на карьерах и заво

дах, оборудованных шахтными и даже вра

щающимися печами. Недостатком этих

установок является повышенный расход

топлива и электроэнергии.

Обжиг измельченного известняка во взвешенном состоянии в опытном порядке осуществляется и на других установках, например в обжиговых трубах, в которых тонкоизмельченные частички карбонатного сырья увлекаются потоком раскаленных газов и обжигаются. Осаждается обожженная известь из газового потока в циклонах и фильтрах.

Выгружаемую из печей комовую известь транспортируют на склад

в вагонетках или ленточными транспортерами со стальной лентой, для

которой не опасна повышенная температура извести. Комовую известь

хранят на складах бункерного или силосного типа. При этом необходи

мо обеспечивать надлежащую герметизацию и аспирацию мест возмож

ного пылеобразования с последующей очисткой запыленного воздуха.

Перевозить известь следует в специально оборудованных автомашинах,

Еагонах и т. п.

Гашеная известь

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. Этот процесс протекает по реакции:

СаО -Ь Н2О->Са(ОН)2 + 15,6 ккал.

При гашении извести выделяется значительное количество, тепла, составляющее 15,6 ккал на 1 г-моль, или 277 ккал на 1 кг окиси кальция.

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.

В пушонку известь гасят в специальных машинах-гидраторах. Для гашения извести-кипелки в известковое тесто применяют известегаситель ЮЗ, в котором комовая известь одновременно размалывается, перемешивается с водой до образования известкового молока и сливается в сепаратор-отстойник. После отстаивания молока образуется известковое тесто. Нельзя применять известковое тесто с большим содержанием, не-погасившихся полностью зерен извести, так как они могут погаситься в кладке, что приведет к растрескиванию затвердевшего известкового рас--. твора. Измельчение извести в гасителе ЮЗ способствует практически полному гашению извести, тогда как в других машинах количество не-погасившихся зерен (отходов) может достигать 30%.

Молотая негашеная известь

До недавнего времени воздушную известь применяли в строительстве только в гашеном виде. В 30-х годах И. В. Смирнов предложил применять известь в тонкоизмельченном негашеном виде. Он, а затем и Б. В. Осин показали, что при определенных условиях возможно гид-ратное твердение извести, т. е. твердение при взаимодействии с водой с образованием гидрата окиси кальция, подобно тому, как твердеет портландцемент или гипс при реакции с водой с возникновением гидрат-ных новообразований. Молотая негашеная известь имеет ряд преимуществ при изготовлении растворов и бетонов перед гидратной известью в виде порошка или теста. Для приготовления растворов и бетонов используется вся тонкоизмельченная известь, включая отходы в виде не-погасившихся зерен. При гидратном твердении молотой негашеной извести выделяется значительное количество тепла, что ускоряет процессы твердения извести.

Молотая негашеная известь характеризуется меньшей водопотреб-ностью, чем гашеная известь. Удельная поверхность ее значительно меньше, чем гидратной извести, и требуемую удобоукладываемость бетонной или растворной смеси получают при пониженном расходе воды. Снижение же водопотребности бетонных и растворных смесей способствует увеличению прочности изделий. Кроме того, негашеная известь, гидра-тируясь в уже уложенных растворах и бетонах, связывает большое количество воды, переходящей в твердую фазу. Изделия на негашеной извести имеют повышенную плотность, прочность, водостойкость и долговечность по сравнению с полученными на гашеной извести.

Существенным недостатком негашеной извести является неудобство в работе —' пыление, вредность и др.

- Для ускорения твердения растворных и бетонных смесей на молотой негашеной извести в их состав вводят соляную кислоту, хлористый кальций, а также уменьшают водоизвестковое отношение. Для замедления твердения в начальный период (схватывания) добавляют гипс, сульфат натрия, сульфитно-спиртовую барду и др. или увеличивают водоизвестковое отношение и удлиняют сроки перемешивания смесей. Добавки гипса и хлористого кальция, кроме того, повышают прочность растворов и бетонов, а добавка замедлителей твердения предупреждает образование трещин.

Для производства негашеной извести пригодны известняки, содержащие значительное количество глинистых и магнезиальных примесей, так как при этом не образуются отходы, неизбежные при производстве гидратной извести.

Молотую негашеную известь получают в чистом виде или с активными минеральными добавками. Комовую известь, поступающую со • склада, сначала дробят (в основном на ударно-центробежных дробилках) до зерен размером 5—10 мм. Затем известь тонко размалывают без добавок или с активной минеральной добавкой — гранулированным шлаком, золой от пылевидного сжигания топлива, горелой породой, пуццоланами вулканического или осадочного происхождения и др. При использовании извести для изделий автоклавного твердения возможен ее помол совместно с кварцевым песком. Получают молотую известь обычно в шаровых мельницах, однако для тонкого измельчения активной мягко обожженной извести без твердых включений (пережог, кварцевые примеси и т. п.) можно использовать и валковые, роликовые, бегунко-вые и другие мельницы, работающие по принципу раздавливания материала и трения.

Молотую негашеную известь хранят в закрытых складах не более

5—10 суток во избежание значительной гидратации и карбонизации окиси кальция, а в мешках не более 15 суток, так как и в мешках известь постепенно гидратируется. Транспортируют негашеную известь в битумизированных мешках, контейнерах либо в специально оборудованных загонах, а также в цементовозах.

Твердение извести -

- В зависимости от вида извести, а также условий, в которых протекает процесс ее твердения, различают три вида твердения: карбонатное, гидратное и гидросиликатное.

Карбонатное твердение известковых растворов или бетонов на га

шеной извести при обычных температурах складывается из двух одно

временно протекающих процессов:.

1) испарение механически примешанной воды и постепенная кри

сталлизация гидрата окиси кальция из насыщенного водного раствора;

2) образование карбоната кальция по реакции:

Са(ОН)2 + СО2 + пН2О = СаСО3 + (п + 1)Н2О.

Процесс кристаллизации гидрата окиси кальция протекает весьма медленно. Испарение воды вызывает слипание мельчайших частиц Са(ОН)г в более крупные и их кристаллизацию. Растущие в растворе кристаллы Са(ОН)2 срастаются друг с другом, образуя известковый каркас, окружающий частицы песка. Образование СаСО3 протекает достаточно интенсивно только в присутствии влаги. Пленка углекислого кальция, образующаяся в первый период твердения на поверхности раствора, затрудняет попадание углекислоты во внутренние слои. В связи с этим процесс карбонизации, который может идти сравнительно интенсивно в присутствии достаточного количества углекислоты, почти при^ останавливается. Гидрат окиси кальция кристаллизуется тем быстрее, чем интенсивнее испаряется вода, поэтому для твердения извести необходима положительная температура и низкая влажность окружающей среды.

Чистое известковое тесто вследствие сильной усадки при высыхании растрескивается и для устранения этого к нему добавляют от 3 до 5 объемных частей песка. Таким образом, введение надлежащего количества заполнителей целесообразно не только с экономической точки зрения, но и с технической, так как заполнители способствуют улучшению процессов твердения и уменьшению усадочных деформаций, при высыхании.

Прочность известковых растворов на гашеной извести невысока.: при твердении растворов в течение 1 мес. в обычных условиях прочность при сжатии составляет 5—10, а в возрасте нескольких десятков лет достигает 50—70 кГ/см2. Это объясняется не только большой степенью карбонизации раствора или бетона, но и некоторым взаимодействием кремнеземистых и карбонатных заполнителей с гидратом окиси кальция.

Искусственной карбонизацией бетонов и растворов возможно получение их высокой прочности (до 300—400 кГ/см2). Особенно эффективными оказываются бетоны на молотой негашеной извести, а также с добавкой мелассы до 0,2% веса извести, способствующей ускорению процесса карбонизации и увеличению прочности.

Гидратным твердением называют процесс постепенного превращения в твердое камневидное тело известковых растворных и бетонных смесей на молотой негашеной извести, являющийся результатом взаимодействия извести с водой и образования гидрата окиси кальция.

Б. В- Осин считает, что при твердении молотой негашеной извести вначале происходит ее растворение в воде с образованием насыщенного, раствора, который быстро становится пересыщенным, а также вследствие отсасывания воды внутрь зерна еще не погасившейся его частью. При быстром и сильном перенасыщении раствора, приготовленного на негашеной извести, образуются коллоидные массы. Они появляются также и вследствие того, что получающийся (при затворении негашеной извести водой) гидрат окиси кальция состоит из частиц, приближающихся по своим размерам к коллоидным. Коллоидный гидрат окиси кальция быстро коагулирует в гидрогель, склеивающий зерна. По мег ре дальнейшего отсасывания воды внутренними слоями зерен, а также ее испарения, гидрогель уплотняется, что вызывает рост прочности твердеющей извести. Образующийся при твердении гашеной извести гидрогель содержит очень много воды, и его клеящая способность ослаблена, что не наблюдается при твердении негашеной извести. Кристаллизация гидрата окиси кальция в условиях схватывания гасящейся извести способствует дальнейшему росту ее прочности. Последующая карбонизация гидрата окиси кальция также повышает прочность затвердевшего раствора.

Таким образом, при затвррении водой молотой негашеной извести происходит гидратационное твердение, характерное и для других вяжущих веществ, выражающееся в гидратации окиси кальция и последующей коллоидации и кристаллизации продукта гидратации. Для процесса твердения в обычных температурах имеет также значение испарение свободной воды при высыхании и естественная карбонизация.

Условиями, способствующими гидратационному твердению, являют

ся быстрый и равномерный отвод выделяющегося при твердении тепла,

использование форм, не допускающих увеличения объема твердеющей

массы, и введение добавок типа с.с.б., замедляющих процесс гидрата

ции извести. При этом возникающая в процессе г'идратационного твер

дения коагуляционная структура сохраняется и в ней выкристаллизовы

ваются гидраты новообразований. Если же коагуляционная структура

разрушается из-за повышения температуры или увеличения объема, то

при большой скорости гидратации извести новая структура не успевает

возникнуть, и процесс перекристаллизации заканчивается в отдельных

несросщихся частицах извести. Для улучшения условий гидратационно-

го твердения известь необходимо равномерно обжигать и возможно

тоньше измельчать. '

Гидросиликатное твердение. Изготовление изделий из известково-

песчаных смесей длительное время не получало развития вследствие то

го, что при обычных температурах гашения известь твердеет очень мед

ленно, а изделия на ее основе имеют небольшую прочность. Если же

известково-песчаные силикатные изделия обрабатывать паром повышен

ного давления — 9—16 атм, — что соответствует температурам 174,5—

200° С, то в автоклаве происходит химическое взаимодействие между из

вестью и кремнеземом песка с образованием гидросиликатов кальция,

обеспечивающих высокую прочность и долговечность получаемых из

делий.

Способ водотепловой обработки известково-песчаных смесей был предложен В. Михаэлисом в 1880 г. и был положен в основу производства силикатного кирпича, а в'последнее время — крупноразмерных силикатных конструкций и изделий.

При автоклавном твердении известково-песчаных материалов известь в основном не представляет собой вяжущего, при гидратации и карбонизации которого возникает прочное камневидное тело требуемой прочности, как при обычных температурах. В данном случае известь является одним из двух компонентов, в результате взаимодействия которых образуется гидросиликат кальция — основное цементирующее вещество автоклавных известково-песчаных материалов. Необходимая прочность их достигается не путем физического сцепления гидратных новообразований вяжущего с зернами заполнителя, а вследствие химического взаимодействия между основными компонентами сырьевой смеси — известью и кварцевым песком.

Твердение известково-кремнеземистых материалов в условиях термообработки паром в автоклавах является следствием ряда сложных физико-химических процессов, проходящих в три стадии

1) образование кристаллических зародышей гидросиликатов, неко

торый рост кристаллов и увеличение их числа без срастания;

2) формирование кристаллического сростка;

3) разрушение (ослабление) сростка вследствие перекристаллиза

ции контактов между кристаллами.

Твердеют новообразования, количество и состав которых непрерывно меняется, в течение гидротермальной обработки изделия.

Свойства воздушной извести

В зависимости от содержания активных СаО и MgO, а также непо-гасившихся частиц негашеная и гашеная известь, за исключением карбонатной, делится на два сорта I и П.

Пластичность извести связана с высокой водоудерживающей способностью. Тонкодисперсные частички гидрата окиси кальция, адсорб-ционно удерживая на своей поверхности значительное количество воды, создают своеобразную смазку, уменьшая трение между частицами. Чем известь активнее и полнее гасится, чем больше выход известкового теста из 1 кг комовой извести, тем дисперснее частички извести и больше, ее пластичность.

Водопотребность и водоудерживающая способность строительной извести зависит от ее вида и дисперсности частиц. Для изготовления известковых кладочных растворов на 1 м3 обычно расходуется 300—500 л воды и более.

Повышенной водопотребностью и водоудерживающей способностью

обладает гашеная известь в виде порошка или теста, пониженной —

молотая негашеная. Поэтому из негашеной молотой извести можно при

готовлять растворы и бетоны с пониженным водосодержанием, более

высокой плотности и, следовательно, прочности и долговечности. Удо-

бообрабатываемость же растворных смесей на молотой негашеной из

вести ниже, чем на гашеной.