Строительная воздушная 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.
Магнезия MgO содержится обычно в карбонатных породах в широких пределах – от 0,5-3 до 10-20% и более. Присутствуя в извести в количестве до 5-8%, она относительно мало влияет на свойства продукта. При повышенном содержании магнезии известь приобретает слабые гидравлические свойства. В зависимости от содержания оксида магния различают следующие виды воздушной извести: кальциевую – MgO не более 5%, магнезиальную – MgO от 5 до 20% и доломитовую – MgO от 20 до 40%.
Вследствие испарения влаги для получения пушонки требуется значительно большее количество воды, чем необходимо в соответствии с химической реакцией. Так, при гашении извести в пушонку на открытом воздухе воды необходимо брать не 32 13% от веса СаО, а 70%.
Однако слишком большое количество воды также нежелательно, так как выделяющегося при реакции тепла будет недостаточно для превращения ее в пар и часть воды останется в пушонке, ухудшая ее качество. Известковое тесто получается в том случае, когда при гашении воздушной извести воду вводят в количестве, превышающем теоретически необходимое в десять раз. В среднем берут-2,5 л воды на 1 кг извести. Размер Са(ОН)2 при этом меньше, чем при гашении в пушонку.
Известковое молоко образуется при введении количества воды, превышающего теоретически необходимое более чем в десять раз. Средний размер частиц при гашении в известковое молоко равен одному микрону. При дальнейшем увеличении количества воды продукт гашения носит название известковой воды.
Качество воздушной извести оцениваются по разным показателям, основным из которых является содержание в ней свободных оксидов кальция и магния. Чем выше их содержание, тем выше качество извести.
Известь, предназначенная для производства автоклавных изделий, не должна содержать более 5% оксида магния. Активность высококачественных сортов маломагнезиальных известей достигает 93-97%.
Негашёная комовая и молотая известь оценивается также по содержанию в них углекислоты и потерям при прокаливании при 950-1000ºС в течение 30 минут.
Важным показателем строительных свойств воздушной извести является выход теста. Он определяется количеством известкового теста, получаемого при гашении 1кг извести. Чем выше выход теста, тем оно пластичнее и тем больше его пескоёмкость. Высококачественные сорта извести при правильном гашении характеризуются выходом теста в 2,5-3,5л и больше. Такие извести называются жирными. Известь с меньшим выходом теста считают тощей.
К молотой негашёной извести предъявляются требования не только по суммарному содержанию свободных оксидов кальция и магния, но и по тонкости измельчения.
Основным показателем гидратной извести, а также известкового теста является содержание в них активных оксидов кальция и магния. По этому признаку эти виды извести делят на два сорта: минимально допустимое содержание активных СаО и MgO в высушенном продукте 1-го сорта – 67%, 2-го сорта – 60%.
В молотую негашёную известь, а также в гидратную известь допускается вводить тонкоизмельчённые минеральные добавки в таком количестве, чтобы содержание СаО+ MgO в кальциевой негашёной извести 1-го сорта было не менее 65%, а 2-го сорта – 55%. При введении тех же добавок в гидратную известь активность должна быть не менее 50% (1-й сорт) и 40% (2-й сорт).
Влажность гидратной извести не должна быть более 5%. Воздушная известь 1-го сорта без добавок с Государственным Знаком качества должна отвечать дополнительным требованиям, в частности коэффициент вариации по содержанию активных СаО и MgO не должен быть более 3%. Содержание же активных СаО и MgO в гидратной извести должно быть не менее 70%, а влажность должна быть не более 4%.
Строительная воздушная известь выпускается следующих видов:
известь негашеная комовая (кипелка); известь молотая совместно с минеральными добавками или без них; известь гашеная. Негашеная комовая известь (кипелка) представляет собой воздушную известь после ее обжига в печи. Известь молотую получают помолом в мельнице негашеной комовой извести совместно с металлургическими и топливными шлаками, кварцевым песком, золой и другими минеральными добавками. Гашеную известь получают действием определенного количества воды на негашеную воздушную известь, в результате которого образуется продукт в виде порошка (пушонки), известкового теста или известкового молока. Пишонка - тончайший порошок, который получается, если при гашении используют столько воды, сколько необходимо для полного протекания реакции гидратации (соединения с водой).
Производство
Производство воздушной извести состоит из добычи сырья, дробления, сортировки его и обжига обычно в шахтных печах. B зависимости от вида топлива шахтные печи бывают пересыпные, когда короткопламенное твердое топливо загружается в печь вперемежку с сырьем послойно; печи с выносными топками для твердого длиннопламенного топлива и печи, работающие на газовом топливе. Высота шахтных печей колеблется для разных конструкций от 8—20 м, диаметр их до 4 м. Наиболее экономичными являются печи, работающие по пересыпному способу. Они представляют собой шахту круглого поперечного сечения, выложенную из красного кирпича и футерованную внутри шамотом (огнеупорным кирпичом). Для увеличения прочности шахты она стянута снаружи металлическими кольцами и имеет отверстия для наблюдения за процессом обжига. Печи оборудуют скиповыми подъемниками для автоматической послойной загрузки сырья и топлива, а также устройством для выгрузки готовой извести, вентиляторами для увеличения тяги, дымососами и т. п.
Сырье и топливо загружают в печь сверху послойно через загрузочное устройство; двигаясь вниз, сырье обогревается отходящими горячими газами, образующимися при сгорании топлива. В средней части шахты (зона обжига), где температура достигает 1000—1200° С, происходит разложение углекислого кальция и образование извести-кипелки по реакции СаСО3-177,7 кДж. Проходя зону обжига, куски извести опускаются постепенно в нижнюю часть печи (зона охлаждения) и выгружаются с помощью специального устройства. Производительность шахтных печей колеблется в широких пределах и составляет в среднем от 25 до 120 т извести в сутки.
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. 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 СаСОз--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 600'С, и с повышением температуры реакция ускоряется. При 900'С 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 — 1100'С возникает опасность пережога поверхности кусков извести. В заводских условиях температура обжига карбоната кальция составляет 1050-1200'С, причем под температурой обжига понимают не температуру в печи, а температуру обжигаемого материала.
Диссоциация углекислого кальция — обратимая реакция, протекающая при определенных температурах и соответствующих парциальных давлениях углекислого газа. Установившееся при какой-либо температуре химическое равновесие в системе СаСО3 —СаО + СО2, можно сместить слева направо удалением некоторого количества СО2, что вызывает диссоциацию новых частиц карбоната и выделение дополнительных количеств углекислого газа. Это дает возможность интенсифицировать процесс разложения известняка путем усиления тяги в печи.
Продолжительность обжига определяется также размером кусков обжигаемого продукта. 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 900'С она составляет примерно 2 мм/ч, а при 1100'С — 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. При температуре 850 — 1100'С образующийся оксид кальция взаимодействует с кислотными оксидами примесей Si02, Аl2О3 и Fe2О3 с получением двухкальциевого силиката 2СаО SiO2, двухкальциевого феррита 2СаО Fe2О3, однокальциевого алюмината СаО Аl2О3 и др. Количество их зависит от химико-минералогического состава исходного сырья.
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. Основная задача при обжиге обеспечение максимальной степени декарбонизации СаСО3 приминимальной температуре. 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. Известняк нагревается 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 . В третьей зоне материал охлаждается поступающим в печь снизу воздухом.
Шахтные печи различают по виду применяемого в них топлива и по способу его сжигания. В пересыпных печах твердое топливо подается вместе с сырьем и сгорает между кусками обжигаемого материала. Здесь применяют топливо с малым содержанием летучих — антрацит, кокс и тощие сорта каменного угля, дающие при горении короткое пламя. В печах с выносными топками последние расположены по внешнему периметру печи. В них сжигается твердое топливо (полностью или частично) и образующиеся горячие газы поступают в зону обжига. Применяют длиннопламенное топливо с высоким содержанием летучих, а также торф, дрова, горючие сланцы. В газовых печах топливом чаще всего служит природный газ, который подается непосредственно в шахтную печь и сжигается в слое материала. Наиболее производительны и экономичны пересыпные печи, но в них продукт обжига загрязнен золой. Печи с выносными топками имеют то преимущество, что способны работать на низкокачественном, менее дефицитном топливе, но их тепловой КПД ниже по сравнению с пересыпными печами. Наиболее высокое качество имеет продукт при обжиге в газовых печах.
Вращающиеся печи позволяют получать мягкообожженную известь высокого качества из мелкокускового известняка и из мягких карбонатных пород -(мела, туфа, известняка-ракушечника), которые нельзя обжигать в шахтных печах из-за склонности этих материалов к «зависанию» в шахте, приводящему к нарушению технологии обжига.
Длина известьобжигательных вращающихся печей составляет 30 — 100 м при диаметре 1,8 — 3 м, производительность достигает 400 — 500 т/сут., что в 2-4 раза выше, чем у шахтных печей. Одно из важнейших технологических преимуществ обжига извести во вращающихся печах — малое время прохождения материала от места загрузки до выхода из печи, что обеспечивает оперативность управления процессом. Вращающиеся печи обеспечивают компактность технологической схемы, позволяют автоматизировать процесс и снизить капитальные затраты на строительство цехов. Во вращающихся печах может быть получена известь высокого качества обжигом при средних и достаточно высоких температурах. Из-за малого времени пребывания материала в печи опасность пережога в них минимальна. При этом известь значительно более однородна по составу и содержит меньше примесей.
Выгружаемая из печей комовая известь транспортируется на склад вагонетками или транспортерами и хранится в бункерах или силосах. Во избежание снижения активности известь не должна контактировать с водой даже в виде паров.
Воздушная известь отличается от всех других вяжущих тем, что может превращаться в порошок не только при помоле, но и при гашении. Комовая негашеная известь является полуфабрикатом, из которого в зависимости от принятой схемы — помол или гашение — получают соответственно молотую негашеную или гашеную известь.