Кислотоупорный цемент - специальный цемент, представляющий собой смесь совместно или раздельно молотых кварцевого песка и кремнефтористого натрия (Na2SiF6). Внешне кислотоупорный цемент выглядит как порошкообразный материал, который, как и другие виды цемента, получается путем помола. Готовая смесь должна быть тщательно и равномерно перемешана. Степень измельчения должна быть такой, чтобы остаток при просеивании измельченной массы через сито с 900 отв/см не превышал 0,5%, через сито с 4900 отв/см2 - 10% и через сито с 10 000 отв/см2 - 50%.
Кислотоупорный бетон получают затворением кислотоупорного цемента водным раствором силиката натрия или калия (жидкого стекла), который при схватывании образует кислотостойкий камень.
На кислотоупорный цемент есть ГОСТ 5050- 49 - "Цемент кислотоупорный кварцевый кремнефтористый". Согласно этому нормативу соотношение между песком и натрием зависит от химического состава песка и зависит от общего содержание окиси кремния (SiО2), которое в готовом цементе должно быть не менее 92%.
Кислотостойкий бетон можно применять в кислотных органических и неорганических средах любой степени агрессивности, исключение составляют фтористоводородная (HF) и кремнефтористоводородная (H2SiF6) кислоты, в которых растворяется кремнезем.
Кислотостойкий бетон можно армировать так же, как и обычный бетон. Такой бетон прочно скрепляется с арматурой, не вызывает ее коррозии.
Применение других вяжущих веществ в данных случаях недопустимо, так как они под действием кислот разрушаются.
При длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность.
Ограничения применения кислотоупорного цемента также связаны с токсичностью кремнефтористого натрия.
Область применения
- Строительстве резервуаров, ванн и других емкостей для химической промышленности.
- Защита химической аппаратуры от воздействия разного рода кислот.
- Заделка швов между изделиями, имеющими кислотостойкие характеристики.
- Раствор для кладки химически стойких материалов (кирпича, плитки) при защите корпусов химической аппаратуры.
- Целлюлозно-бумажная промышленность (производство целлюлозы сульфатным способом), для защиты варочных котлов защита представляет собой кислотоупорную керамическую плитку или кирпич, уложенные на кислотостойкой замазке. Используется также монолитная футеровка из кислотоупорного бетона на жидком стекле.
Изготовление кислотостойкого бетона
В составе кислотного цемента 5 компонентов:
- жидкое стекло;
- кремнефтористый натрий;
- тонкоизмельченный кварцевый песок;
- кварцевый песок крупного помола;
- щебень.
Кислотостойкий бетон должен быть максимальной плотности, которая обеспечивает более прочную и повышенную водостойкость и кислотостойкость. Это обеспечивается при помощи подбора соотношения между крупным и мелким наполнителями, когда пустоты в щебне максимально заполняются песком, а пустоты в песке заполняются тонкомолотым наполнителем.
Кварцевый песок применяется в качестве кислотоупорного заполнителя, но так же могут применяться и другие кислотостойкие измельчённые породы:
- базальт;
- гранит;
- андезит;
- кварцит и др.
Содержание SiO2 в кварцевом песке должно быть не менее 95%.
Кремнефтористый натрий является химическим отвердителем жидкого стекла, образующим при взаимодействии с последним гель кремнезёма, обеспечивающий формирование плотной и кислотоустойчивой структуры камня.
Ориентировочное количество кремнефтористого натрия Na2SiF6 от массы растворимого стекла (т. е. сухого вещества в составе жидкого стекла) в кислотоупорных растворах и бетонах составляет:
- 4% в цементах, предназначенных для изготовления замазок;
- 10-15% - для растворов и бетонов.
Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент
Кварцевый кремнефтористый кислотоупорный цемент - порошкообразный материал, получаемый совместным помолом или тщательным смешиванием раздельно измельченных кварцевого песка и ускорителя твердения - кремнефтористого натрия. Его затворяют на водном растворе силиката натрия, после чего уже на воздухе он превращается в прочное камневидное тело, способное противостоять действию большинства минеральных и органических кислот.
Выпускают три разновидности этого цемента:
- Тип 1, предназначен для приготовления кислотоупорных замазок, затворяемых на жидком стекле; кремнефтористого натрия в нем должно быть не менее 4±0,5% от массы цемента.
- Тип 2, используют для изготовления кислотоупорных растворов и бетонов, затворяемых на натриевом жидком стекле; содержание кремнефтористого натрия в нем - не менее 8±0,5%.
- Тип 3, для изготовления кислотоупорных замазок, растворов и бетонов, затворяемых на калиевом жидком стекле; содержание кремнефтористого натрия в нем должно быть не менее 14±0,5%.
Полимерсиликатные бетоны
Полимерсиликатными называют материалы (растворы, бетоны, замазки) на кислотоупорном цементе, модифицированном полимерными добавками (пластификаторы, уплотнители, гидрофобизаторы и т.д.).
Ниже приведен рецепт полимерсиликатного бетона из книги - "Рекомендации по изготовлению и применению изделий и конструкции из полимерсиликатного бетона", 1985г., Госстрой СССР, Ордена Трудового Красного Знамени, научно-исследовательский институт бетона и железобетона.
Вяжущее вещество
- В качестве вяжущего для приготовления полимерсиликатных бетонов следует применять натриевое жидкое стекло (ГОСТ 13078-81) плотностью 1,38-1,42 г/см3 с силикатным модулем 2,6-3,0.
- Для торкретнотукатурок в качестве вяжущего следует применять калиевое жидкое стекло (ТУ 6-15-785-73) плотностью 1,30-1,36 г/см3 с силикатным модулем 2,4-3,1.
Отвердитель
Натрий кремнефтористый технический КФН (ГОСТ 87-77) с содержанием основного продукта не менее 93%. Влажность отвердителя должна быть не более 1 %. Тонкость помола отвердителя определяется по ГОСТ 310.2-76 просеиванием пробы через сито с сеткой No 008 или по удельной поверхности методом воздухопроницаемости. Остаток на сите не должен превышать 15%. Для получения бетона марки М250 удельная поверхность КФН должна составлять 2500-3000 см2/г., а для марки М350 - 4500-5000 см2/г.
Модифицирующие добавки
Для повышения кислотонепроницаемости полимерсиликатного бетона в качестве уплотняющих добавок следует применять:
- фуриловый спирт или фурфурол;
- ацетоноформальдегидную смолу;
- компаунд, состоящий из фурилового спирта ФС и фенолоформальдегидной резольной водорастворимой смолы типа ФРВ-1 или ФРВ-4, взятых в соотношении 70-90% ФС и 30-10% ФРВ;
- тетрафурфуриловый эфир ортокремниевой кислоты;
- полиизоцианат;
- карбамидную смолу КФЖ или КФ-МТ.
Для увеличения жизнеспособности полимерсиликатных смесей следует применять кремнийорганическую жидкость ГКЖ-1О или ГКЖ-11.
В качестве пластифицирующих добавок, увеличивающих подвижность смеси, рекомендуется применять:
- нейтрализованные сульфокислоты НС на основе продуктов перегонки нефти (ГОСТ 13302-77);
- ацетоноформальдегидные смолы САФА;
- суперпластификатор-разжижитель С-3;
- алкилфениловые эфиры полиэтиленгликоля (жидкое мыло) 0П-7 или ОП-10 (ГОСТ 8433-81);
- лаурилсульфат натрия.
Для повышения защитных свойств к стальной арматуре и закладным деталям рекомендуется использовать следующие ингибиторы коррозии:
- окись свинца;
- комплексную добавку катапин и сульфонол;
- фенилантринилат натрия.
Тонкомолотые наполнители
Тонкомолотые наполнители, применяемые в производстве полимерсиликатных бетонов, могут быть промышленного производства или могут приготовляться на месте путем размола соответствующих материалов:
- андезитовая мука;
- диабазовая мука;
- кварцевый кислотоупорный цемент или муку, полученную из других кислотостойких материалов.
При использовании андезитовой муки или кварцевого кислотоупорного цемента при подборе состава ПСБ необходимо учитывать содержащийся в наполнителях кремнефтористый натрий.
Наполнители должны иметь кислотостойкость не ниже 97-98%.
Наполнители следует просеивать через сито No 0315 для получения тонкости помола не ниже 2000 см2/г, при этом остаток на сите составляет 5-8%,
Его можно использовать в качестве мелкого заполнителя.
Влажность наполнителей должна быть не более 1%.
Мелкие заполнители
Для приготовления полимерсиликатных бетонов в качестве мелкого заполнителя следует применять природные кварцевые пески в естественном состоянии, фракционированные или обогащенные, кислотостойкостью не менее 96%.
Зерновой состав мелкого заполнителя должен находиться в пределах 0,15-2,5 мм
Модуль крупности песка должен быть в пределах 2-3.
Содержание в природных и дробленых песках зерен, проходящих через сито No 014, не должно превышать 2%, а пылевидных, илистых и глинистых частиц - 1%.
Заполнители не должны содержать примеси известняка, доломита, металлических включений (проба раствором соляной кислоты). При наличии таких примесей всю партию заполнителя следует забраковать.
Крупный заполнитель для тяжелых полимерсиликатных бетонов
В качестве крупного заполнителя для тяжелых полимерсиликатных бетонов должен применяться кислотостойкий щебень (ГОСТ 8267-82), получаемый из естественных изверженных пород (андезит, гранит, базальт, кварцит). Предел прочности при сжатии естественного камня должен составлять не менее 80 МПа, водопоглащение - не более 2%, кислотостойкость - не менее 96%, содержание глинистых пылевидных частиц не более 1%.
Применение щебня из осадочных горных пород не допускается.
Наибольший размер щебня не должен превышать 1/4 толщины конструкции и 1/2 расстояния между арматурными стержнями.
Для получения бетона высокой плотности следует применять щебень следующих фракций: 5-10, 10-20, 20-40 мм. Зерновой состав каждой фракции должен отвечать требованиям ГОСТ 10268-80.
Крупные и мелкие заполнители должны иметь влажность не более 1%.
Крупный заполнитель для легких полимерсиликатных бетонов
В качестве крупного заполнителя для легкого полимерсиликатного бетона следует применять керамзитовый гравий с насыпной плотностью 550-800 кг/м3 и прочностью на сжатие в цилиндре не менее 2 МПа, отвечающий требованиям ГОСТ 9759-83, аглопоритовый щебень, а также другие искусственные и естественные кислотостойкие пористые заполнители (шунгизит, пористое стекло, перлит и др.).
Кислотостойкость легкого заполнителя для ПСБ должна быть не ни же 96%, водопоглащение не более 20%, влажность не более 2%.
Кислотостойкие замазки
Для изготовления используют также тонкомолотую андезитовую муку в смеси с кремнефтористым натрием (андезитовая замазка). Такую смесь затворяют жидким стеклом (силикатный модуль = 2,8, плотность - 1,4 г/см3) при следующем соотношении компонентов, массовые части:
- андезитовая мука - 95,
- Na2SiF6 - 5,
- натриевое жидкое стекло - 35.
Кислотостойкий бетон в производстве приготовляют в бетономешалках, размер емкости которых зависит от количества бетона, необходимого для укладки в определенный промежуток времени.
Физико-химические свойства
Схватывание и прочность
Основу твердения кислотоупорного цемента составляет взаимодействие кремнефторида натрия с высококонцентрированным раствором жидкого стекла. Реакция между Na2SiF6 и жидким стеклом протекает в два последовательных этапа: первый - нейтрализация щелочи в растворе до начала гелеобразования, второй - нейтрализация щелочи в формирующемся гидрогеле.
Сроки схватывания кислотоупорного цемента нормальной густоты должны быть:
- начало - не ранее 40 мин. (цемент типа I) и 20 мин (цемент типа II),
- конец - не позднее 8 часов для цементов обоих типов.
Нормативы по прочности оцениваются у цемента 28-ми суточного твердения, после кипячения их в течение 1 часа в 40%-ном растворе серной кислоты:
- Предел прочности при растяжении - не менее 2,0 МПа.
- Прочность при сжатии бетонов на кислотоупорном цементе составляет 20-60 МПа.
Обычно после воздействия концентрированных кислот прочность бетона повышается, а в разбавленных кислотах снижается, так как происходит выщелачивание фтористого натрия, который повышает пористость материала.
Снижение прочности по сравнению с прочностью образцов, не подвергавшихся кипячению в кислоте, не должно превышать 10%.
Жаропрочность
Жаропрочный кислотостойкий бетон применяют для того, чтобы бетонировать днища башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Такой бетон можно использовать при температуре 900-1200°С.
Химическая стойкость
Стойкость кислотостойкого бетона определяется механической прочностью до и после того, как на бетон воздействуют кислоты различной степени агрессивности на образцы за один месяц. Перед этим образцы должны храниться на открытом воздухе около 10 суток. Затем прочность образцов, которые были в кислотных жидкостях, сравнивают с образцами, которые находились на воздухе.
Коэффициент химической стойкости кислотостойких бетонов определяют по изменению прочности образцов после испытаний в агрессивной среде по формуле:
Kx.c.= Rr / Rq
где Rq и Rr - прочность образцов соответственно до погружения в агрессивную среду и после выдержки в ней.
Химически стойкие бетоны на жидком стекле (плотные полимерсиликатные бетоны) предназначены для работы в условиях воздействия разбавленных и концентрированных минеральных кислот (азотной, серной, соляной, фосфорной), органических кислот (молочной, лимонной) с коэффициентом химической стойкости 0,7. В водном растворе аммиака (10-25%-ном) такие бетоны имеют Kx.c.>0,5, в насыщенных растворах хлоридов металлов Kx.c.>0,1, в органических растворителях (ацетон, бензол, толуол) и нефтепродуктах бетоны характеризуются высокой химической стойкостью (0,8x.c.<2), низкую химическую стойкость они проявляют в водных растворах едких щелочей.
Водостойкость
Водостойкость зависит от значения силикатного модуля и заметно повышается при превышении значения 3,3. Дальнейшее повышение модуля приводит к повышению водостойкости материала на основе щелочных силикатов, которая монотонно возрастает в области полисиликатов (при n>4,0), однако в этой области наблюдается ослабление вяжущих свойств.
В последние годы научились защищать жидкостекольные бетоны от воды, добавляя в жидкое стекло фуриловый спирт, парафиновую эмульсию.
Так же для повышения водостойкости в состав цемента вводят 0,5% льняного масла или 2% гидрофобизующей добавки. Полученный таким образом гидрофобизованный цемент называют кислотоупорным водостойким цементом (КВЦ).