Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие » Строительный вестник ❘ The Construction bulletin
Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие



Жидкое стекло. Жидким стеклом называют водный раствор щелочных силикатов. Полуфабрикатом для получения жидкого стекла служит преимущественно растворимое стекло - стекловидный сплав, общая формула которого R2O*nSiO2, где R2O - щелочной оксид, n - силикатный модуль.
Жидкое стекло можно получать и непосредственно в автоклавах обработкой аморфных кремнеземистых продуктов в растворах едких щелочей.
В строительстве чаще используют натриевое растворимое стекло с модулем 1,5-3. Калиевое стекло с модулем 4-4,5 используют в основном для получения силикатных красок. Выпускают растворимое стекло в виде твердого монолита (силикат-глыбы), который измельчают на куски, или мелкозернистого продукта (силикат-гранулята). Для его получения используют шихту, в состав которой входят кремнеземистый и щелочной компоненты, например, песок и сода или сульфат натрия. Шихту плавят в стеклоплавильных печах при 1100-1400°С.
Силикат-глыба образуется при медленном охлаждении расплава на воздухе, силикат-гранулят - при охлаждении в проточной воде. Растворение силикат-глыбы в воде проводят в автоклавах под давлением 0,3-0,8 МПа. Гранулят можно растворять при атмосферном давлении и температуре 90-100°C.
Скорость растворения зависит от размера зерен и удельной поверхности, модуля стекла, количества и состава примесей, водотвердого отношения (рис. 10.9, 10.10, 10.11).
Промышленностью изготавливаются три марки жидкого стекла: А - низкомодульное, Б - среднемодульное и В - высокомодульное (табл. 10.3).
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Жидкое стекло относится к сильным электролитам, находящимся в диссоциированной форме. Для него характерно присутствие в воде катионов щелочных металлов и анионов в виде ассоциированных кремнекислородных комплексов, придающих стеклу свойства, характерные для неорганических полимеров. Они проявляются в его малой склонности к кристаллизации, способности к набуханию и высокой вязкости образующихся растворов. По мере увеличения содержания щелочного оксида и уменьшения соответственно силикатного модуля, степень полимеризации жидкого стекла уменьшается. Меньшая степень полимеризации характерна также при быстром охлаждении растворимого стекла, поскольку при этом имеет место более высокая степень разрушения кремнекислородных комплексов.
Степень полимеризации калиевого стекла ниже, чем натриевого и оно легче растворяется в воде.
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Высокомодульные концентрированные растворы силикатов щелочных металлов близки к коллоидным системам. Им присущи такие явления как гелеобразование и коагуляция.
В закрытых емкостях жидкое стекло не твердеет. На воздухе идет медленное твердение в результате взаимодействия щелочного силиката с углекислым газом с образованием геля кремниевой кислоты SiO2*2H2O, образующего искусственный камень. Реакция упрощенно идет по схеме:
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Этот процесс проходит весьма медленно из-за образования на поверхности практически непроницаемой пленки.
Наиболее часто встречающийся способ перевода жидкого стекла в твердое состояние заключается в воздействии различных реагентов-отвердителей. С их помощью вяжущей системе можно придать различные технологические и строительно-технические свойства. Одним из способов отверждения является нейтрализация всей или части щелочи, находящейся в жидком стекле, кислотами. Например, нейтрализация жидкого стекла кислыми газами, в том числе углекислым газом используется в литейном деле для приготовления форм и стержней. Песок, очищенный от пыли, смачивается жидким стеклом, из этой смеси формуется изделие, которое отверждается продувкой углекислым газом в течение 0,5-2 мин. После продувки углекислым газом литейные формы просушиваются нагретым воздухом.
К жидким отвердителям относятся сложные эфиры органических кислот, а также эфиры угольной и кремниевой кислот, омыляющиеся под действием щелочи жидкого стекла. Особое место среди отвердителей занимают фторсиликаты щелочных металлов. На практике с этой целью применяют преимущественно кремнефторид натрия Na2SiF6. При его взаимодействии с жидким стеклом не только понижается содержание щелочи, но и выделяется дополнительная кремниевая кислота, которая уплотняет твердеющую систему, повышая в конечном счете ее прочность:
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Введение порошка Na2SiF6 в натриевое жидкое стекло сразу вызывает коагуляцию и геле-образование. Поэтому порошок кремнефторида натрия обычно предварительно смешивают с наполнителем, а затем уже с жидким стеклом.
Отверждение жидкого стекла возможно соединениями кальция и других двухвалентных ионов. С помощью ионов кальция из растворов жидкого стекла осаждаются аморфные силикаты кальция и происходит коагуляция силикатного раствора. Из солей кальция для отверждения жидкого стекла наибольшее применение находит CaCl2.
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Жидкие стекла затвердевают при умеренном нагревании по мере увеличения вязкости при понижении содержания воды до 20...30%. При этом важен темп нагревания. Если условия нагревания такие, что давление насыщенного пара в глубинных слоях стекла окажется выше атмосферного, происходит вспучивание материала. Этим явлением пользуются для получения пористых материалов.
Одной из основных особенностей жидкого стекла является высокая адгезионная (клеющая) способность. Она в 3-5 раз выше, чем у портландцемента и других вяжущих материалов. Силикатные растворы с модулями ниже 3,5-3,7 хорошо смачивают разнообразные неорганические и органические материалы. Для получения композиционных материалов высокой прочности на основе жидкого стекла в качестве наполнителей используют разнообразные дисперсные материалы.
Область применения жидкого стекла достаточно обширна. Его вяжущие свойства используются при получении ряда композиционных материалов, в том числе кислотостойких и жаростойких растворов и бетонов, литейных формовочных смесей, теплоизоляционных, керамических, абразивных материалов. Жидкое стекло применяют в качестве неорганического клея (связки-адгезива) в инъекционных составах для укрепления грунтов и горных пород, высокотемпературных клеящих композициях для металлов, керамики, стекла, составах для пропитки пористых строительных изделий. Важным направлением применения жидкого стекла является также получение защитно-декоративных и антикоррозионных покрытий.
Наилучшие вяжущие свойства натриевого жидкого стекла характерны при силикатном модуле 2-3,5, калиевого 2,5-4. При повышении силикатного модуля выше 3,3 существенно увеличивается водостойкость жидкого стекла, которое можно отнести к вяжущим воздушного твердения. Прочность жидкостекольных композитов возрастает с увеличением плотности раствора стекла (до 1,5 г/см3 и выше). Вместе с тем, с увеличением плотности резко возрастает вязкость растворов и затрудняется получение удобообрабатываемых смесей.
Адгезионные и соответственно клеящие свойства более выражены для натриевых жидких стекол. Применение натриевых стекол для получения фасадных покрытий ограничено из-за возможности появления на их поверхности белых высолов. Для получения таких покрытий более предпочтительно применение калиевого жидкого стекла. Оно в отличие от натриевого не образует кристаллогидратов с сульфат- и карбонат-ионами.
Для закрепления грунта под фундаментами, защиты от грунтовых вод при прохождении шахт и тоннелей применяют силикатизацию - нагнетание в грунт жидкого стекла вместе с растворами добавок сквозь систему перфорированных труб.
Жидкое стекло служит затворителем кварцевых кислотостойких цементов - продуктов совместного измельчения или смешивания кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Изготовляют два типа таких цементов: I - для кислотостойких замазок, II - для бетонов и растворов. Они отличаются содержанием кремнефтористого натрия и сроками твердения. Кислотостойкие цементы нельзя использовать в условиях действия щелочей, фтористоводородной и кремнийфтористоводородной кислот, кипящей воды и водяного пара.
Отличительной особенностью растворов и бетонов на основе жидкого стекла наряду с кислотостойкостью является также высокая жаростойкость.
Магнезиальные вяжущие. Магнезиальные вяжущие (каустический магнезит и каустический доломит) относятся к группе вяжущих воздушного твердения, получаемых на основе продуктов умеренного обжига магнезита и доломита, содержащих активный оксид магния, при их затворении растворами хлорида магния и некоторых других солей.
В основе получения каустических магнезита и доломита лежат реакции термической диссоциации соответствующих минералов, в результате которых образуется активный оксид магния. Эти реакции являются эндотермическими и идут при обжиге сырьевых материалов в определенном диапазоне температур.
Реакция разложения магнезита MgCO3=MgO+CO2↑ протекает достаточно интенсивно при 600-650°С с затратой 1440 кДж теплоты на 1 кг MgCO3. В промышленных печах каустический магнезит получают при температурах 800-850°С. При более высоких температурах кристаллы MgO уплотняются и переходят в неактивную форму - периклаз. Если плотность каустического магнезита 3,1-3,3 г/см3, то плотность периклаза достигает 3,7 г/см3.
Получение каустического доломита идет в результате разложения магнезиальной составляющей доломита. Предложен ряд схем диссоциации этого минерала при нагревании. Характер образующихся продуктов при диссоциации зависит от давления CO2 и температуры. При давлении CO2 более 20 мм рт. ст. и температуре 650-750°C идет реакция по схеме:
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

При последующем нагревании до 900°С разлагается карбонат кальция.
Наряду с магнезиальными вяжущими, получаемыми целенаправленно обжигом и помолом магнезиального сырья, в качестве вяжущего используют побочный продукт металлургического производства - каустический магнезитовый порошок, улавливаемый в виде пыли, образующейся при производстве спеченного огнеупорного материала - периклаза. Кроме производства вяжущих материалов, каустический магнезитовый порошок применяют для химической, стекольной, энергетической и других отраслей промышленности.
При затворении магнезиальных вяжущих водой их прочность незначительна. Наиболее высокую прочность они достигают при затворении раствором хлорида магния с плотностью 1,15-1,20 г/см3. С повышением плотности раствора и соответственно концентрации хлорида магния прочность конечного продукта растет, однако увеличивается опасность высолов на поверхности изделий.
Имеются различные теоретические представления о механизме твердения магнезиальных вяжущих. В соответствии с гидратационной теорией твердения А.А. Байкова роль солей-электролитов, вводимых при затворении, сводится к увеличению растворимости Mg(OH)2, образуемого при гидратации MgO. Различие в растворимости MgO и Mg(OH)2 приводит к увеличению степени пересыщения и развитию процессов кристаллизации и образования искусственного камня.
Большинство исследователей в настоящее время считают, что твердение магнезиальных вяжущих идет, главным образом, в результате образования комплексных солей типа оксихлоридов mMgO*MgCl2*nH20, где m=1-10; n=10-21.
Особенностью твердения каустического доломита является присутствие значительного количества высокодисперсного CaCO3, который выполняет роль активного наполнителя, образуя центры кристаллизации и повышая плотность затвердевших вяжущих.
Магнезиальные вяжущие, затворяемые раствором хлористого магния плотностью 1,15-1,20 г/см3, являются быстротвердеющими, нормально схватывающимися вяжущими.
При высоком качестве магнезитового сырья растворы на каустическом магнезите могут достигать через 28 сут прочность при сжатии 80-100 МПа. При этом через 1 сут достигается растворами 30-50%, 7 сут - 60-90% 28-суточной прочности при твердении образцов в воздушно-сухих условиях.
Прочность магнезиальных вяжущих пропорциональна содержанию активного MgO.
Защита изделий из магнезиальных вяжущих достигается пропиткой их различными гидрофобизующими составами: серой, парафином, лаками. Наиболее сильно повышают водостойкость и механическую прочность магнезиальных вяжущих фосфатные добавки.
Традиционно магнезиальные вяжущие применяют для материалов, содержащих древесный заполнитель или другие волокнистые органические материалы. Типичными материалами этого типа являются ксилолит («дерево-камень», греч.) и фибролит («волокнистый камень», греч.).
Ксилолит как материал для полов на основе магнезиального вяжущего и древесных опилок отличается прочностью, упругостью, несгораемостью, низкой тепло- и звукопроводностью, паропроницаемостью, стойкостью к биоповреждениям, низкой истираемостью. Средняя плотность ксилолита характерных составов 1000-1250 кг/м3, предел прочности при сжатии 20-35 МПа, растяжении 3-5 МПа, коэффициент теплопроводности 0,5-1 Вт/м-°С, водопоглощение 3-7%, истираемость до 0,1 г/см2.
Фибролитовые плиты, получаемые с использованием древесных стружек, применяют в качестве теплоизоляционного (с плотностью до 300 кг/м3) и конструктивно-теплоизоляционного материала (с плотностью 400-500 кг/м3).
В последнее десятилетие освоено производство т.н. бишофитового бруса (экобруса) - композитного материала на основе магнезиального вяжущего, древесных отходов и бишофита - технического хлорида магния.
С применением магнезиальных вяжущих изготавливают отделочные растворы и изделия. Освоено производство ксилолитоволокнистых (стекломагнезитовых) плит - материала, получаемого на основе смеси магнезиального вяжущего и древесной стружки, армированного с обеих сторон стеклотканью.
Фосфатные цементы. К фосфатным цементам относится большая группа вяжущих систем, в состав которых входят различные оксиды или другие тонкодисперсные вещества и фосфорная кислота.
Их подразделяют на «простые» вяжущие системы, включающие фосфорную кислоту и мономинеральные соединения, представленные преимущественно оксидами, и вяжущие системы с использованием полиминеральных природных и техногенных продуктов. Они могут отверждаться при комнатной температуре или при нагревании.
Твердение фосфатных цементов возможно при условии химического взаимодействия минеральных порошков с фосфорнокислым отвердителем.
Химическое взаимодействие оксидов с фосфорной кислотой и образование искусственного камня зависит, как показали С.Л. Голынко-Вольфсон и Л.Г. Судакас, от ионного потенциала катиона, входящего в оксид, - отношения заряда иона к его эффективному радиусу. При уменьшении ионного потенциала катиона ускоряется процесс схватывания и твердения, с увеличением - замедляется (табл. 10.4).
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

Для твердения вяжущих при использовании низкореакционных оксидов повышают температуру, применяют методы поверхностной активации порошков. При необходимости снижения интенсивности взаимодействия охлаждают систему, прокаливают порошок, производят предварительную нейтрализацию затворителя и др.
Исследования показали, что прочность в системах типа оксид (гидроксид) - ортофосфорная кислота зависит от размера катиона оксида. Наиболее прочные структуры соответствуют оптимальным размерам катиона (0,7-0,8 мм). Более прочными являются также системы, в которых при твердении достигается оптимальное сочетание между кристаллическими и аморфизированными продуктами.
Способность твердеть и превращаться в искусственный камень для фосфатов обусловлена процессами поликонденсации, в результате которых могут образовываться структуры линейных, кольцевых и ячеистых полифосфатов.
Процесс поликонденсации фосфатов с соответствующим усложнением анионов и выделением воды можно представить схемой:
Жидкое стекло. Магнезиальные и фосфатные вяжущие

В последние годы разработан ряд быстротвердеющих и высокопрочных фосфатных вяжущих композиций. К ним относят прежде всего магнийаммонийфосфатные цементы, твердение которых связано с взаимодействием оксида магния с водными растворами аммонийфосфатов. Использование в вяжущих системах аммонийфосфатов существенно улучшает их физико-механические характеристики. Оксид магния обжигают при температуре выше 1300°С.
Обширной группой в составе алюмофосфатных вяжущих являются материалы с активными глиноземсодержащими компонентами. С применением алюмофосфатной связки Al(H2PO4)3 и кварцевых, шамотных и других огнеупорных компонентов можно получить высококачественные огнеупорные бетоны.
Добавлено Serxio 23-02-2016, 20:24 Просмотров: 4 817
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent