Для футеровки химической аппаратуры, а также для возведения резервуаров, башен и других специальных сооружений в химической промышленности применяются кислотоупорные цементы, так как обычные строительные вяжущие материалы растворяются кислотами. Кислотоупорные цементы состоят из смеси водного раствора силиката натрия (растворимого стекла), кислотоупорного наполнителя и добавки – ускорителя твердения.
Растворимое стекло представляет собой щелочной натриевый или калиевый силикат переменного химического состава, выражаемого общей формулой R2O*nSi02, где R20 обозначает Na2O или K2O. Величина n характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи. Она называется модулем растворимого стекла и определяет его основные свойства.
Водный раствор растворимого стекла называют жидким стеклом. От обычного стекла оно отличается тем, что растворяется в воде. Наибольшее распространение получило более дешевое натриевое стекло, хотя калиевое и отличается лучшими свойствами жидкое стекло является вяжущим веществом, твердеющим на воздухе вследствие высыхания, а также под влиянием углекислоты.
Приводим реакцию разложения жидкого стекла под действием углекислоты воздуха
Na2Si03+2H2O+CO2=Si(OH)4+Na2CO3
Само по себе жидкое стекло твердеет очень медленно вследствие образования на поверхностных слоях плотной пленки, препятствующей и проникновению С02 во внутренние слои и их высыханию. Поэтому для ускорения твердения применяют различные катализаторы, главным образом кремнефтористый натрий (Na2SiF6). Ускоряют твердение жидкого стекла и активные кремнеземистые материалы (активированный путем обработки серной кислотной трепел, активные кремнеземистые отходы и др.).
Растворимое стекло получают в стекловаренных печах так же, как и обычное стекло, но производство его отличается рядом особенностей. Сырьем служат кварцевый песок, сода или сульфат. Варка ведется при температуре 1300-1400°C. Выпускаемое из печи жидкое стекло быстро охлаждается, затвердевает и представляет собой стеклообразную хрупкую массу от слабоозеленого до темно-зеленого цвета, состоящую преимущественно из силиката натрия и называемую силикат-глыбой.
При обычных температурах силикат-глыба чрезвычайно медленно растворяется. Поэтому растворяют ее при повышенной температуре и давлении, для чего применяют автоклавы, в которые загружают куски стекла, а затем пускают острый пар под давлением 6-7 атм.
Возможен и более простой способ получения жидкого стекла; в автоклав загружают едкий натр и молотый диатомит и обрабатывают их паром под давлением 7 атм.
В строительстве применяется натриевое жидкое стекло с модулем от 2,5 до 3 и калиевое жидкое стекло с модулем от 3 до 4. При использовании жидкого стекла для кислотоупорных цементов стремятся к более высокому значению модуля.
Жидкое стекло не может долго сохраняться, его нужно держать в закрытой таре. При его транспортировке приходится перевозить значительное количество воды. Поэтому целесообразнее выпускать растворимое стекло в твердом виде (силикат-глыба) и растворять его на стройках в стационарных или передвижных установках.
Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент представляет собой порошкообразный материал, изготовляемый путем совместного помола или тщательного смешивания раздельно измельченных кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Этот цемент затворяют жидким стеклом, после чего он превращается на воздухе в прочное камневидное тело, стойкое против действия большинства минеральных и некоторых органических кислот. Кислотоупорными заполнителями могут служить кварц, андезит, бештаунит, плавленый диабаз, гранит, базальт и др. Кислотоупорный заполнитель размалывается до зерен размером не более 0,15 мм. В отдельных случаях допускается добавка более крупного заполнителя с размером зерен до 0,5-0,75 мм.
Кремнефтористый натрий Nа2SiF6 представляет собой натриевую соль кремнефтористоводородной кислоты Н2SiF6. Получают его из отходов суперфосфатного производства. Употребляемый для кислотоупорного цемента технический кремнефтористый натрий не должен содержать более 5% примесей для 1 сорта и 7% для 2-го.
Плотность растворимого стекла должна быть не ниже 1,345 (370 Боме). Стекла берут в количестве 25-30% от веса кислотоупорных заполнителей, а кремнефтористого натрия — в количестве 15% от веса растворимого стекла.
При взаимодействии кремнефтористого натрия и растворимого стекла образуется нерастворимый гель кремнекислоты, который затвердевает и связывает зерна заполнителя. Реакция идет примерно следующим образом:
Na2SiF6 + 2Nа2SiO3 + 6Н2О = 6NaF + 3Si (OH)4.
Водный раствор кремнефтористого натрия дает кислую реакцию. Это объясняется тем, что в нем имеется примесь свободной кислоты (НF) в количестве до 0,15%, а также гидролитической диссоциацией кремнефтористого натрия под действием воды с выделением НF. Кислота нейтрализует в растворе растворимого стекла свободную щелочь, что наряду с образованием нерастворимого геля кремнекислоты обусловливает водоустойчивость этого цемента.
Затвердевший слой кислотоупорного цемента с добавкой кремнефтористого натрия может быть достаточно большим. Поэтому на основе этого цемента можно изготовлять бетонные монолиты.
По СНиП, кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент должен отвечать следующим требованием: содержание Si02 должно быть не менее 92%, остаток на сите № 02 не более 0,5%, а на ситах № 008 и № 0056 соответственно не более 10 и 50% от веса пробы; начало схватывания должно наступать не ранее 30 суток, а конец не позднее 6 ч от начала затворения; предел прочности при растяжении через 30 суток при хранении на воздухе как без последующего кипячения в серной кислоте, так и с ним должен быть не менее 20 кг/см2. Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент должен также выдерживать испытание на кислотоустойчивость (потеря при растворении цементного порошка в кислоте не должна превышать 7% и на лепешках после испытания не должно быть вздутий, отслаиваний и других видимых разрушений).
Мелкие заполнители получают из тех же горных пород, что и крупные. Все заполнители делятся на три вида: пылевидный заполнитель с размером зерен до 0,15 мм; песок с размером зерен от 0,15 до 5 мм; щебень с размером зерен выше 5 мм.
Примерный состав бетона в весовых частях: 1 ч. пылевидного заполнителя; 1 ч. песка; 1-2 ч. щебня и 0,4 ч. растворимого стекла. Кремнефтористый натрий берется в количестве 15% от веса растворимого стекла. В отличие от обычных бетонов кислотоупорный бетон твердеет в воздушно-сухих условиях при температуре не ниже + 10°С. Поливать твердеющий кислотоупорный бетон водой нельзя.
Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент применяют для изготовления башен, резервуаров, травильных ванн и других химических аппаратов. Его можно использовать для химической зашиты аппаратуры от воздействия минеральных и некоторых органических кислот. Он служит для покраски и обмазки, с его помощью создают цементные кислотостойкие покровы, заливают швы между кислотостойкими изделиями. Этот цемент применяется также для изготовления растворов и бетонов, подвергающихся воздействию минеральных кислот. Он стоек по отношению к перемежающемуся воздействию кислот и воды, его не следует использовать лишь в конструкциях, подвергающихся постоянному воздействию воды. Кислотоупорный цемент нельзя применять в условиях воздействия фосфорной, фтористоводородной и кремнефтористоводородной кислот, а также при наличии щелочной среды.
Жидкое стекло используют не только для получения кислотокпорных цементов, растворов и бетонов. Натриевое стекло употребляют в строительстве для приготовления жаростойких бетонов, для получения огнезащитных обмазок и для уплотнения (силикатизации) грунтов, бетонной и каменной кладки, а калиевое жидкое стекло — для силикатных красок, предназначаемых для окраски фасадов и внутренних поверхностей зданий.
По данным К. Д. Некрасова, бетоны на жидком стекле плотностью 1,36-1,38 в сочетании с кремнефтористым натрием, а также с шамотом класса В, андезитом и диабазом, служащим тонкомолотой добавкой, и базальтом, диабазом, андезитом и боем обыкновенного глиняного кирпича в качестве мелких и крупных заполнителей могут служить при температуре до 600°С. При использовании таких тонкомолотых добавок и заполнителей как тальк, хромит и шамот класса А и Б температура службы бетона на жидком стекле и кремнефтористом натрии повышается до 1000-1100°С. При применении в качестве тонкомолотой добавки и заполнителя боя магнезитового кирпича такой бетон может служить при температуре до 1400°С.