ЛЕКЦИЯ 8 Неорганические (минеральные) вяжущие вещества Воздушные вяжущие вещества

ЛЕКЦИЯ 8
Неорганические (минеральные) вяжущие вещества
Воздушные вяжущие вещества
Неорганические (минеральные) вяжущие вещества
Неорганические минеральные вяжущие вещества – это тонко измельченные
минеральные порошки, образующие при смешивании с водой пластичную
удобообрабатываемую массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело.
Неорганические вяжущие вещества в зависимости от их способности твердеть в
определенной среде делят на воздушные и гидравлические.
Воздушные вяжущие (известь воздушная, гипсовые и магнезиальные вяжущие,
растворимое стекло) твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной
среде.
Вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять или повышать
прочность не только на воздухе, но еще лучше в воде, называют вяжущими водного
твердения или гидравлическими вяжущими (гидравлическая известь, романцемент,
портландцемент и его разновидности, глиноземистый и расширяющийся цементы,
гипсоцементно-пуццолановые и некоторые местные вяжущие вещества). Число
разновидностей гидравлических вяжущих непрерывно увеличивается в результате
использования новых видов сырья и применения новых способов производства.
• В отдельную группу выделяют вяжущие вещества автоклавного твердения
(известково-кремнеземистые, известково-нефелиновые, бесклинкерные шлаковые
и зольные вяжущие материалы), хотя по существу они тоже относятся к
гидравлическим вяжущим. Такие вяжущие эффективно твердеют только в среде
нагретого насыщенного пара в автоклавах, где температура 175°С и более и
давление 0,9...1,6 МПа.
• В самостоятельную группу кислотостойких вяжущих входит кислотоупорный
цемент.
Показатели качества минеральных вяжущих веществ.
1. Водопотребность вяжущих
(нормальная густота вяжущего теста)
Важно! Если воды недостаточно, то смесь будет рыхлой, рассыпчатой; избыток воды
приведет к получению растекающейся массы, работать с которой также затруднительно.
2. Прочность. Оценивают по прочности (на сжатие и изгиб) стандартных образцов,
твердевших определенное время в условиях, установленных стандартом.
Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому оценивают вяжущие по
прочности, набранной за определенное время твердения в условиях, установленных
стандартом. Этот показатель принимают за марку вяжущего. Например, марка гипсовых
вяжущих определяется по прочности образцов спустя 2 часа после их изготовления, а
портландцемента через 28 суток твердения.
По этим показателям устанавливают марку вяжущего.
3. Скорость твердения. В процессе твердения различают две стадии:
- Схватывание
- Набор прочности
4. Схватывание – потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств, различают:
- начало схватывания
- конец схватывания
Условно принято различать два периода в процессе твердения вяжущего вещества —
схватывание и собственно твердение.
Момент, когда пластичное вяжущее тесто начинает загустевать и теряет
пластичность, соответствует началу схватывания. Далее вяжущее тесто все больше и
больше уплотняется, полностью загустевает и постепенно превращается в твердое
камневидное тело, не обладающее еще практически заметной прочностью. Этот момент
считают концом схватывания.
Некоторые вяжущие схватываются в течение нескольких минут, а затвердевают за
несколько часов (например, гипсовые). Наиболее медленно твердеет воздушная гашеная
известь, которая в обычных условиях заметно затвердевает лишь через несколько недель
или месяцев. Большинство цементов схватывается в течение десятков минут или
нескольких часов, а интенсивно твердеет в сроки до месяца, хотя процесс твердения при
благоприятных условиях продолжается многие годы. Все операции по
транспортированию и укладке смесей на основе вяжущих должны заканчиваться до
начала схватывания. Повторное перемешивание, особенно с добавлением воды, с целью
придания пластичности схватывающейся смеси приводит к существенному снижению
прочности затвердевшей смеси.
Важно! Сроки схватывания необходимо знать, т.к. все работы со смесями на основе
вяжущих должны заканчиваться до начала их схватывания, пока они не потеряли
пластичности. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением
воды, может привести к существенному снижению прочности материала на этом
вяжущем.
Воздушные вяжущие вещества.
1) Гипсовые вяжущие вещества
Сырьевыми материалами для производства гипсовых вяжущих служат:
1) гипсовый камень (природный гипс) CaSO4 ּ2Н2О,
2) природный ангидрит - CaSO4,
3) отходы производства (фосфогипс, борогипс)
Производство.
Создавая соответствующие условия дегидратации двуводного гипса, можно
получить различные гипсовые вяжущие вещества, которые разделяют на две группы:
низкообжиговые (собственно гипсовые) и высокообжиговые (ангидритовые) —
ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс.
При нагревании двуводного гипса до 180°С двуводный гипс превращается в
полуводный (CaSO4ּ0.5Н2О),
а при дальнейшем нагревании до 200 °С полностью обезвоживается, превращаясь в
безводный растворимый ангидрит.
При дальнейшем нагревании до 450...700 °С безводный гипс медленно переходит в
нерастворимый ангидрит (CaSO4), не обладающий вяжущими свойствами, но если его
размолоть и ввести некоторые вещества — катализаторы, он приобретает способность
медленно схватываться и твердеть.
При нагревании до 800...1000 °С нерастворимый ангидрит частично разлагается на
оксид кальция, сернистый газ и кислород. Полученный продукт (эстрих-гипс) ,
размолотый в порошок, вследствие появления небольшого количества оксида кальция
(3...5 %), выполняющего роль катализатора, вновь приобретает свойства схватываться и
твердеть.
Термическую обработку природного гипса и помол осуществляют по различным
схемам. По одной из схем гипсовый камень измельчают до обжига, по другой — после
обжига, а по третьей — помол и обжиг совмещают в одном аппарате (обжиг во
взвешенном состоянии).
Для получения гипсовых вяжущих сырье обжигают в печах (вращающихся, шахтных
и др.) или в варочных котлах. При обжиге в открытых аппаратах, сообщающихся с
атмосферой, вода из сырья удаляется в виде пара и гипсовое вяжущее преимущественно
состоит из мелких кристаллов β-модификации CaSO4ּ0.5Н2О. При обжиге в
герметических аппаратах (котлах-автоклавах), в которых обезвоживание природного
гипса происходит в среде насыщенного пара под давлением выше атмосферного или в
процессе кипячения в водных растворах некоторых солей при атмосферном давлении с
последующей сушкой и измельчением, получают гипс, который состоит в основном из
α-модификации CaSO4ּ0.5Н2О в виде крупных и плотных кристаллов,
характеризующихся пониженной водопотребностыо по сравнению с β-полугидратом. Это
обусловливает более плотную структуру отвердевшего CaSO4ּ0.5Н2О и более высокую
его прочность.
Твердение гипсовых вяжущих проходит по следующей схеме.
На первом этапе (растворении) частицы полуводного гипса, приходя в
соприкосновение с водой, начинают растворяться с поверхности до образования
насыщенного раствора. Одновременно начинается гидратация полуводного гипса по
реакции
СаSО4· 0,5Н2О + 1,5Н2О = СаSО4 ·2Н2О. Этот период характеризуется пластичным
состоянием теста.
На втором этапе (коллоидации) наряду с гидратацией растворенного полугидрата и
переходом его в двуводный гипс происходит прямое присоединение воды к твердому
полуводному гипсу. Это приводит к возникновению двуводного гипса в виде
высокодисперсных кристаллических частичек. Так как двуводный гипс обладает
значительно меньшей растворимостью (примерно в 5 раз), чем полуводный, то
насыщенный раствор по отношению к исходному полуводному гипсу является
пересыщенным по отношению к образующемуся двуводному гипсу и тот, выделяясь из
раствора, образует коллоидно-дисперсную массу в виде геля (студня), в которой
кристаллики двугидрата связаны слабыми вандерваальсовыми силами молекулярного
сцепления. Этот период характеризуется загустеванием теста (схватыванием).
На третьем этапе (кристаллизации) образовавшийся неустойчивый гель
перекристаллизовывается в более крупные кристаллы, которые срастаются между собой в
кристаллические сростки, что сопровождается твердением системы и ростом ее
прочности.
Указанные этапы не следуют строго друг за другом, а налагаются один на другой и
продолжаются до тех пор, пока весь полуводный гипс не перейдет в двуводный
(практически через 20...40 мин после затвердения). К этому времени достигается
максимальная прочность системы во влажном состоянии. Дальнейшее увеличение
прочности гипсового камня происходит вследствие его высыхания. При полном
высыхании рост прочности прекращается.
Особенностью полуводного гипса по сравнению с другими вяжущими является его
способность при твердении увеличиваться в объеме (до 1 %). Так как увеличение объема
происходит в еще окончательно не схватившейся массе, то она хорошо уплотняется и
заполняет форму. Это позволяет широко применять гипс для отливки художественных
изделий сложной формы.
Важнейшими недостатками затвердевших гипсовых вяжущих являются
значительные деформации под нагрузкой (ползучесть) и низкая водостойкость. Для
повышения водостойкости гипсовых изделий при изготовлении вводят гидрофобные
добавки, молотый доменный гранулированный шлак, а также водоотталкивающие
составы.
Технические свойства гипса.
1. По срокам схватывания гипс делят на три группы - А, Б, В (А-быстротвердеющий,
Б-нормально-твердеющий, В-медленнотвердеющий).
2. Стандартом установлено 12 марок гипса по прочности от Г-2 до Г-25 (определяют
испытанием на сжатие и изгиб стандартных образцов-балочек 4х4х16 см спустя 2
часа после их формования)
3. По тонкости помола гипсовые вяжущие делят на три группы - I, II, III (грубый,
средний, тонкий).
Маркируют гипсовые вяжущие
по всем трем показателям! Например: Г-7А II
Применение.
Гипсовые вяжущие применяют для производства гипсовой сухой штукатурки,
перегородочных плит и панелей, архитектурных, звукопоглощающих и других изделий, а
также строительных растворов для внутренних частей зданий.
2) Воздушная известь
Сырьем для получения извести служат осадочные горные породы: известняк, мел,
доломиты, мрамор - (СаСО3), содержащие глинистых примесей не более 6 %.
Обжиг сырья производят при температуре 1000-12000С. В результате получают
продукт состоящий из СаО и МgО, его называют комовой негашеной известью или
известью-кипелкой.
Гашение извести заключается в том, что вода, соприкасаясь с кусками негашеной
извести, поглощается ею, всасываясь в поры, и одновременно химически взаимодействует
с оксидами кальция и магния, образуя их гидроксиды:
СаО + Н2О = Са(ОН)2 и МgО + Н20 = Мg(ОН)2.
При этом 1кг извести-кипелки выделяет 116О кДж теплоты, которая переводит часть
воды в парообразное состояние. Пар вызывает в извести внутренние растягивающие
напряжения, под действием которых происходит ее измельчение в тонкий порошок
(тоньше, чем у цемента).
В зависимости от количества воды, взятой при гашении, можно получить гидратную
известь-пушонку, известковое тесто или известковое молоко.
В зависимости от количества воды, взятой при гашении извести получают:
- известь-пушенку (60…80% воды)
- известковое тесто (2…3 ч по массе на 1 ч извести- кипелки)
- известковое молоко
Твердение и свойства.
В строительстве известь, как правило, применяют в смеси с песком или другими
заполнителями в виде растворов или бетонов.
Растворы и бетоны на гашеной извести твердеют на воздухе при обычных
температурах в результате главным образом двух одновременно протекающих процессов
— карбонизации и кристаллизации гидроксидов кальция, вызванной испарением воды. В
процессе карбонизации, т. е. взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом
воздуха, образуется карбонат кальция и выделяется вода:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О
Испарение воды способствует сближению мельчайших кристаллов гидроксида
кальция, их срастанию между собой и образованию кристаллических сростков,
связывающих зерна заполнителя в монолитное тело.
Образование СаСО3 и кристаллизация Са(ОН)2 происходят только при
положительной температуре и в обычных условиях протекают очень медленно. В
частности, карбонизация захватывает только поверхностные слои, что объясняется малой
концентрацией С02 в воздухе (0,03%) и большой плотностью пленки образующегося
карбоната кальция, затрудняющей проникание углекислоты во внутренние слои раствора.
Прочность при сжатии растворов на гашеной извести через 28 сут твердения на воздухе
редко превышает 0,5...1,О МПа. При длительном твердении (десятки и даже сотни лет)
прочность возрастает до 5...7МПа и более. Это объясняется не только дальнейшей
карбонизацией и кристаллизацией извести, но и накоплением с течением времени
гидросиликатов кальция, которые образуются, хотя и крайне медленно, при
взаимодействии гидроксида кальция с диоксидом кремния кварцевого песка.
Процесс образования гидросиликатов кальция в системе известь—кварцевый песок
можно резко ускорить и, следовательно, получить более высокую прочность изделий на
известковом вяжущем путем тепловлажностной обработки в автоклавах.
Превращение в твердое камневидное тело известковых растворных или бетонных
смесей на молотой негашеной извести обусловлено гидратационным твердением такой
извести. Твердение извести протекает в результате гидратации оксида кальция. Это
возможно как через раствор, так и вследствие присоединения воды к твердой фазе с
последующей коллоидацией и кристаллизацией гидроксида кальция. По мере испарения
воды гидрогель уплотняется, образовавшиеся субмикрокристаллические кристаллы
гидроксида кальция СаО-Н2О взаимно сцепляются и срастаются, что вызывает рост
прочности твердеющей извести. Теплота, выделяющаяся при гидратации, со своей
стороны, способствует ускорению твердения и росту прочности, что особенно важно при
зимних работах (каменной кладке, штукатурке и др.). Последующая карбонизация
гидроксида кальция также повышает прочность затвердевшего раствора.
Однако благоприятные результаты при твердении молотой негашеной извести
можно получить лишь при определенных условиях. Для этого необходимо применять
известь тонкого помола (остаток на сите с сеткой № 008 не более 10 %). Содержание воды
в растворной или бетонной смеси должно быть 100...150 % от массы извести.
3) Магнезиальные вяжущие:
- каустический магнезит МgO
- каустический доломит МgO + СаСО3
Магнезиальные вяжущие затворяют раствором хлорида или сульфата магния.
Характеризуются хорошим сцеплением с органическими материалами и
предохраняют их от загнивания.
Применяются для устройства бесшовных монолитных полов – ксилолит и
фибролит.
Каустический магнезит получают при умеренном обжиге магнезита при
температуре 700...800 °С. Он состоит в основном из оксида магния.
Каустический доломит изготовляют обжигом природного доломита при 650...750
°С, т. е. ниже температуры диссоциации углекислого кальция. Каустический доломит в
основном состоит из оксида магния, являющегося активной частью вяжущего, и
карбоната кальция,
который, не обладая вяжущими свойствами, снижает его активность по сравнению с
каустическим магнезитом.
При затворении этих вяжущих водой процесс гидратации оксида магния идет очень
медленно, а затвердевший камень имеет небольшую прочность. Поэтому
каустический магнезит и доломит затворяют не водой, а водным раствором хлористого
или сернокислого магния.
Ксилолит – заполнителем служат древесные опилки.
Фибролит - заполнителем служат древесные стружки.
4) Растворимое стекло:
- натриевое Na2OּmSiO2
- калиевое К2OּmSiO2
В строительстве используют раствор силикат-глыбы в воде – жидкое стекло (в
быту - силикатный клей) для изготовления кислотоупорных замазок и бетонов, а также
как связующее в силикатных красках.
Растворимое стекло представляет собой натриевый или калиевый силикат
(Na2OּmSiO2 или К2OּmSiO2). Растворимое стекло получают из смеси кварцевого песка с
содой (или сульфатом натрия) и поташом в стекловаренных печах при температуре 1300...
1400 °С. Образовавшийся расплав при быстром охлаждении распадается на стекловатые
полупрозрачные куски, называемые силикат-глыбой.
В строительстве растворимое стекло применяют в жидком виде и часто называют
жидким стеклом. Растворение силикат-глыбы производят водяным паром в автоклаве.
Раствор жидкого стекла, поступающего на строительство, содержит 50...70 % воды.
Силикаты натрия или калия, являющиеся основными компонентами жидкого стекла,
в воде подвергаются гидролизу. Образующийся при гидролизе гель кремниевой кислоты
Si(ОН)4 обладает вяжущими свойствами. По мере испарения жидкой фазы концентрация
коллоидного кремнезема повышается, он коагулирует и уплотняется.
В твердении растворимого стекла участвует также и углекислота воздуха, которая,
нейтрализуя едкую натриевую или калиевую щелочь, образующуюся в растворе при
гидролизе, способствует коагуляции кремнекислоты и более быстрому затвердеванию
растворимого стекла. Однако глубина проникания углекислоты сравнительно невелика и
положительное ее действие наблюдается только на поверхности.
Процесс твердения растворимого стекла существенно ускоряется при повышении
температуры и особенно при добавлении к нему веществ, ускоряющих гидролиз и
выпадение геля кремниевой кислоты, например кремнийфтористого натрия.
Применение.
Натриевое жидкое стекло используют для изготовления кислотоупорных,
жароупорных и огнеупорных бетонов, огнезащитных обмазок и силикатизации грунтов.
Калиевое жидкое стекло применяют для приготовления силикатных красок, мастик и
кислотоупорных растворов и бетонов.
Кислотоупорный цемент изготовляют из тонкоизмельченных смесей
кислотоупорного наполнителя (кварца, кварцита, диабаза, андезита и т. п.) и ускорителя
твердения — кремнефтористого натрия. Название «цемент» для таких порошков имеет
условный характер, так как они вяжущими свойствами не обладают и при затворении
водой не твердеют. Вяжущим веществом в таких цементах является растворимое стекло,
на водном растворе которого их и затворяют. Чаще всего применяют кислотоупорный
кварцевый кремнефтористый цемент, в котором наполнителем является чистый
тонкомолотый кварцевый песок.
Основное достоинство и принципиальное отличие кислотоупорного цемента от
других неорганических вяжущих веществ — его способность сопротивляться действию
большинства минеральных и органических кислот (кроме фтористоводородной,
кремнефтористоводородной и фосфорной).
Схватываются кислотоупорные цементы в пределах 0,3.. .8 ч. Предел прочности при
растяжении через 28 сут должен быть не менее 2,0 МПа, а кислотостойкость — не менее
93%. Кислотоупорный цемент применяют для приготовления кислотоупорных замазок,
растворов и бетонов. Нельзя использовать кислотоупорный цемент для конструкций,
подверженных длительному действию воды, пара и щелочей, а также в условиях низких
температур – (ниже -20оС).