Розділ 3. Неорганічні в’яжучі речовини

Будівельні в’яжучі призначені в основному для отримання штучних матеріалів конгломератного типу, розчинів і бетонів. Їх прийнято розділяти на дві групи: неорганічні або мінеральні і органічні. До неорганічних в’яжучих відносять порошкоподібні або пастоподібні матеріали, здатні при взаємодії з водою або водними розчинами солей утворювати пластичну масу, яка в результаті фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібне тіло.

В залежності від характеру середовища, в якому твердіють неорганічні в’яжучі, їх ділять на повітряні, гідравлічні і автоклавного твердіння. Повітряні в’яжучі твердіють і зберігають міцність лише на повітрі, а гідравлічні - як на повітрі, так і у воді. В’яжучі автоклавного твердіння ефективно твердіють тільки при гідротермальній обробці, тобто при підвищених температурі і тиску насиченої пари.

3.1 Повітряні в’яжучі речовини

Основними представниками повітряних в’яжучих є гіпсові в’яжучі і повітряне вапно. До цієї групи матеріалів відносяться також магнезіальні в’яжучі і рідке скло. Повітряні в'яжучі використовуються в основному в загальнобудівельних роботах, для отримання розчинів і виробів, які не взаємодіють систематично з водою.

Гіпсові в’яжучі речовини. Гіпсовими в’яжучими називають речовини, які складаються з напівводного гіпсу CaSО₄·0,5H₂O або ангідриту CaSO₄, здатні при взаємодії з водою твердіти в повітряному середовищі. Їх отримують при тепловій обробці і подрібнені сировинних матеріалів, які складаються в основному з двоводного (CaSО₄·2H₂0) або безводного гіпсу. Найбільш широко застосовують природний гіпс - гіпсовий камінь, який містить 70…95 % CaSO₄·2H₂O. Можуть застосовуватись в якості сировини також глинисто-гіпсові породи і сульфатні відходи хімічної промисловості.

Залежно від температури термічної обробки гіпсові в’яжучі поділяють на низьковипалювальні (110…180 ºС) і високовипалювальні (600…900 ºС). При отриманні низьковипалювальних гіпсових в’яжучих основним є процес часткової дегідратації гіпсу

CаS0₄·2H₂0 = CaS0₄·0,5Н₂0 + 1,5Н₂0

Отриманий напівводний гіпс або напівгідрат СаSО₄·0,5Н₂О має здатність швидко тужавіти і твердіти при замішуванні водою в результаті зворотної реакції – гідратації, яка супроводжується переходом напівгідрату в кристалічний двоводний гіпс.

При отриманні високовипалювальних в’яжучих іде більш глибоке зневоднення гіпсу. Ці в’яжучі складаються в основному з ангідриту CaSO₄ і характеризуються повільним твердінням в присутності добавок-активізаторів.

Найбільше практичне значення має низьковипалювальне гіпсове в’яжуче – будівельний гіпс – один з найстаріших в’яжучих матеріалів, який використовувався ще при спорудженні пірамід в Єгипті 3000…2500 років до н.е. Отримують будівельний гіпс випалом гіпсового каменю у варочних котлах або сушильних барабанах. При випалі у варочних котлах сировину попередньо висушують і подрібнюють в порошок, в сушильних барабанах випалюють куски, а тонкому подрібненню піддають напівгідрат. Є також і комбіновані схеми, коли oпeрації сушки, помелу і випалу двоводного гіпсу об’єднані. При випалі гіпсу в відкритих апаратах вода видаляється у вигляді перегрітої пари, і утворюються високодисперсні кристали  - СаS0₄·0,5Н₂О (-напівгідрат). При видаленні води в рідкому стані (наприклад, в автоклавах) утворюються більш крупні кристали - напівгідрату, для якого характерна більш низька водопотреба.

Якість гіпсових в’яжучих визначається строками тужавлення, тонкістю помелу, водопотребою, границею міцності на стиск та згин. Залежно від строків тужавлення гіпсові в’яжучі ділять на три групи: швидкотвердіючі (А), нормальнотвердіючі (Б) та повільнотвердіючі (В). Для перших двох груп початок тужавлення повинен наставати не раніше відповідно 2 та 6 хвилин, кінець не пізніше 15 та 30 хвилин. Для гіпсових в’яжучих групи В початок тужавлення настає не раніше, ніж через 20 хвилин.

Тонкість помелу гіпсових в’яжучих оцінюється просіюванням на ситі з розміром отворів 0,2 мм. Для в’яжучих грубого (І), середнього (ІІ) та тонкого (ІІІ) помелу залишок на ситі повинен бути не більше відповідно 23, 14 та 2%.

Усі гіпсові в’яжучі діляться за міцністю на 12 марок (табл. 3.1.) (від Г2 до Г25), чисельне значення марки відповідає мінімальній границі міцності зразків на стиск у мегапаскалях. Для будівельного гіпсу найбільш характерними є марки Г4…Г7 з нормованою границею міцності на згин не менше відповідно 2…3,5 МПа.

Таблиця 3.1. Марки гіпсових в’яжучих

Марка в’яжучого	Границя міцності балочок через 2 год твердіння не менше, МПа		Марка в’яжучого	Границя міцності балочок через 2 год твердіння не менше, МПа
	на стиск	на згин		на стиск	на згин
Г-2	2	1,2	Г-10	10	4,5
Г-3	3	1,8	Г-13	13	5,5
Г-4	4	2	Г-16	16	6
Г-5	5	2,5	Г-19	19	6,5
Г-6	6	3	Г-22	22	7
Г-7	7	3,5	Г-25	25	8

В умовних позначеннях вказується марка гіпсового в’яжучого за міцністю, група по строкам тужавлення та тонкості помолу. Наприклад, Г-5 АІІ – гіпс марки Г5, швидкотвердіючий (А) середнього помелу (ІІ).

При транспортуванні та зберіганні гіпсові в’яжучі повинні бути захищені від зволоження та забруднення.

Для отримання гіпсового тіста нормальної густоти необхідно 50…70 % води, що приблизно в 3…4 рази більше, ніж вимагається для гідратації. При висушуванні міцність гіпсу підвищується і може досягати 20 МПа. Сушать гіпсові вироби при температурі не більше 60-70ºС. В перший період твердіння гіпс розширюється на 0,05…0,15 %, а при подальшому висиханні дає усадку. Здатність твердіючого гіпсу збільшуватися в об’ємі використовується при отриманні виливок різних архітектурних деталей. Для затверділого гіпсу характерні пластичні деформації під навантаженням (повзучість), особливо у зволоженому стані.

Будівельний гіпс застосовується для виробництва перегородкових плит і панелей, листів для обшивки стін і перекриттів (гіпсової сухої штукатурки), теплих звукоізоляційних плит. вентиляційних коробів, для штукатурних, ремонтних та опоряджувальних робіт і т.п. Гіпсові вироби можуть експлуатуватися при відносній вологості повітря не більше 60 %. Водостійкість гіпсових виробів підвищується з введенням 5…25 % вапна, гранульованого доменного шлаку, при додаванні деяких добавок, просоченні карбамідними смолами, кремнійорганічними рідинами і т.п. При змішуванні 50…70 % будівельного гіпсу, 15…20 % портландцементу і 10…25 % активної мінеральної добавки отримують г і п с о ц е м е н т о п у ц о л а н о в і (ГЦПВ) в ’ я ж у ч і, які об'єднують найбільш цінні якості гіпсу і цементу – здатність швидко тверднути, характеризуватися водо-, сульфатостійкістю, низькою повзучістю. З ГЦПВ можна отримати бетони класів В10…В15 з морозостійкістю 25…50 циклів і коефіцієнтом розм’якшення 0,6…0,8, які досягають через 2…3 год. після приготування 30…40 % проектної міцності. Такі бетони успішно застосовують для виробництва панелей і об’ємних елементів санітарно-технічних кабін, покриттів підлог, стін малоповерхових будинків.

Будівельне повітряне вапно. Будівельним вапном називають продукт випалу кальцієвих і магнезіальних карбонатних порід до можливо повного видалення СО₂. В залежності від умов твердіння розрізняють повітряне і гідравлічне будівельне вапно.

Повітряне вапно забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і збереження ними міцності в повітряно-сухих умовах. Для його отримання застосовують вапняки, крейду, доломіти, карбонатні відходи промислових підприємств, які містять не більше 8 % глинистих домішок. При більшому вмісті глинистих домішок утворюється гідравлічне вапно. В сировинних матеріалах не бажані гіпсові і залізисті домішки, які погіршують якість вапна.

Вапно розділяють на негашене і гашене (гідратне). В залежності від вмістів оксидів кальцію і магнію повітряне негашене вапно ділять на кальцієве (МgО не більше 5 %), магнезіальне (МgО = 5...20 %) і доломітове (MgО = 20...40 %), Підвищення вмісту оксиду магнію сповільнює швидкість гашення вапна.

Вапно випускають в грудковому або тонкоподрібненому порошкоподібному вигляді. Негашене грудкове вапно (кипілка) отримують після випалу сировинних матеріалів в результаті декарбонізації вуглекислого кальцію

СаСО₃ = СаО + С0₂↑.

Температура випалу вапняків в заводських умовах складає 1000…1200 °С. Для випалу вапна застосовують шахтні, обертові і інші печі. Найбільш поширені шахтні печі, основним елементом яких є шахта висотою до 28 м і діаметром до 6 м у вигляді циліндра чи конуса, захищеного всередині вогнетривкою футеровкою. Шахтні печі працюють безперервно: у верхню частину завантажують вапняк, який повільно опускається вниз, проходячи через зони сушки і підігріву, випалу і охолодження і перетворюється в грудкове вапно.

Поряд з шахтними пересипними печами застосовують шахтні печі з винесеними топками, де можна спалювати вугілля з підвищеним вмістом летких домішок. Обертові печі мають більш високу потужність, дозволяють забезпечити автоматизацію випалу і отримати вапно з крейди і інших м’яких карбонатних порід. Однак в них підвищені витрати палива і енергії.

Якість негашеного вапна визначається вмістом активних оксидів кальцію і магнію, здатних енергійно реагувати з водою – гаситись. Важливо не допустити “перевипалу” вапна, що призводить до перекристалізації і спікання оксидів кальцію і магнію. Це сповільнює їх гашення, викликає утворення тріщин у затверділих розчинах. Вимоги до негашеного кальцієвого вапна наведені в табл. 3.2. Грудкове вапно є напівфабрикатом для отримання порошкоподібного меленого або гідратного вапна, а також вапняного тіста.

Таблиця 3.2. Вимоги до негашеного кальцієвого і гідратного вапна

Показник	Норми для сортів вапна
	негашеного			гашеного
	І	ІІ	ІІІ	І	ІІ
Вміст активних СаО+МgО, %, не більше: без добавок з добавками	90 65	80 55	70 –	67 50	60 40
Вміст СО2, %, не більше без добавок з добавками	3 4	5 6	7 –	3 2	5 4
Непогашені зерна, %, не більше	7	11	14	–	–

Подрібнення грудкового і отримання меленого негашеного вапна дозволяє прискорювати гашення і запобігти утворенню відходів непогашених частинок, випускати розчини і вироби більш високої міцності. Для підвищення водостійкості і покращання інших якостей вапняних розчинів при подрібненні вапна вводять активні мінеральні добавки: золи, шлаки. Можна вводити також кварцовий пісок, гіпс. Тонкість подрібнення вапна оцінюється просіюванням крізь сито з сітками №№ 0,2 і 0,08. Проходити повинно відповідно не менше 98,5 і 85 % маси просіюваної проби. Мелене негашене вапно без добавок так само, як і грудкове, ділиться на три сорти, з добавками – на два (табл. 3.2).

Порошкоподібне вапно можна отримати не тільки його помелом, але й гашенням, взявши 0,6…0,8 частини води по масі на 1 частину негашеного вапна (кипілки):

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 65 кДж.

Час гашення для швидкогасного вапна – не більше 8хв., середньогасного – не більше 25 хв. і повільногасного – більше 25 хв.

Отримане гашене (гідратне) вапно (пушонка) – готовий продукт, який при взаємодії з водою перетворюється в тісто. В упакованому вигляді його легше транспортувати і зберігати, ніж негашене вапно. Гідратне вапно також випускається з добавками і без добавок і ділиться на два сорти (див. табл. 3.2).

Негашене грудкове або мелене вапно частіше зразу гасять до утворення вапняного тіста. При цьому на 1 частину вапна по масі беруть 2…3 частини води.

Розчинні і бетонні суміші на основі вапна можуть тверднути по карбонатній, гідратній або гідросилікатній схемам. В розчинах на гашеному вапні при звичайній температурі і тиску іде карбонатне твердіння, яке включає одночасно два основних процеси: кристалізацію Са(ОН)₂ з насиченого водного розчину і утворення карбонату кальцію по реакції:

Са(ОН)₂ + СО₂ + nН₂0 = СаСО₃ + (n + 1)Н₂О.

Розчини на гашеному вапні твердіють дуже повільно. Прискорити ріст їх міцності можна при гідратному твердінні, застосовуючи мелене негашене вапно. Гідратне твердіння іде в результаті розчинення меленого негашеного вапна в воді, утворення пересиченого розчину, виділення дрібних частин Са(ОН)₂, їх взаємного зчеплення і зростання. Нормальне гідратне твердіння можливе при достатній тонкості подрібнення вапна, певному водовапняному відношенні, швидкому відведенні виділеної теплоти. Найбільш висока міцність вапняних розчинів і бетонів досягається при гідросилікатному твердінні, яке полягає у сполученні вапна з кремнеземом при тепловологісній обробці виробів в автоклавах насиченою парою під тиском 0,9…1,6 МПа і утворенні гідросилікатів кальцію, цементуючих зерна піску і інших заповнювачів. На гідросилікатному твердінні вапна основане одержання силікатної цегли і силікатних бетонів.

Головна позитивна особливість повітряного вапна – висока пластичність, яка надає розчинам і бетонам високу легковкладальність, а також водоутримуючу здатність та запобігає розшаруванню сумішей. Будівельне вапно застосовують для приготування кладочних і штукатурних розчинів, які працюють в повітряно-сухих умовах, для виготовлення низькомарочних бетонів, змішаних гідравлічних в’яжучих, силікатних виробів.

Р о з ч и н н е т а р і д к е с к л о. Розчинне скло – скловидний сплав, що складається з лужних силікатів. Загальна формула його R₂О^.nSіО₂, де R₂О – лужний оксид (Nа₂О, К₂О), n- силікатний модуль. Значення силікатного модуля може змінюватися від 1 до 6,5. В будівництві найчастіше використовують натрійове розчинне скло з модулем 1,5…3. Калійове скло з модулем 4…4,5 використовують основним чином для отримання силікатних фарб. Випускають розчинне скло у вигляді твердого моноліту (силікат-глиби), який подрібнюють на куски, або дрібнозернистого продукту (силікат-грануляту). Для його отримання використовують шихту, що включає кремнеземистий та лужний компоненти, наприклад, пісок та соду або сульфат натрію. Шихту плавлять у скловарних печах при 1100....1400°С.

Силікат-глиба утворюється при повільному охолодженні розплаву на повітрі, силікат-гранулят - при охолодженні у проточній воді. Розчинення силікату-глиби у воді проводять в автоклавах під тиском 0,3...0,8 МПа. Гранулят можна розчинювати при атмосферному тиску і температурі 90... 100 °С.

Водний розчин силікатів лужних металів називають рідким склом. Його можна отримати як із розчинного скла, так і безпосередньо у автоклавах обробкою аморфних кремнеземистих продуктів у розчинах їдких лугів.

Рідке скло являє собою колоїдний розчин густиною 1,4...1,5 г/см³, у закритих посудинах воно може зберігатися дуже довго, на повітрі повільно затвердіває. Суть процесу твердіння полягає у випаруванні рідкої фази, підвищенні концентрації вільного колоїдного кремнезему та його наступній коагуляції та ущільненні. Вуглекислий газ повітря нейтралізує луги, що містяться у водному розчині та сприяє коагуляції кремнезему. Суттєво прискорює процес твердіння рідкого скла добавка кремнефтористого натрію та деякі інші речовини.

Характерна особливість рідкого скла - висока клеюча здатність, яка у З...5 разів вища, ніж у цементів та інших мінеральних в'яжучих. Завдяки цьому його широко використовують для склеювання картону, паперу, дерев'яних та силікатних виробів і т.п.

Для закріплення грунту під фундаментами, захисту від ґрунтових вод при проходженні шахт та тунелів використовують силікатизацію - нагнітання у грунт рідкого скла разом з розчинами добавок крізь систему перфорованих труб.

Рідке скло служить затворювачем кварцових кремнійфтористих кислототривких цементів - продуктів сумістного подрібнення або змішування кварцового піску та кремнійфтористого натрію. Виготовляють два типи таких цементів: І - для кислототривких замазок, ІІ - для бетонів та розчинів. Вони різняться вмістом кремнійфтористого натрію та строками тужавлення. Кислототривкі цементи використовуються для склеювання хімічно стійких матеріалів, футеровки різних апаратів та захисних покрить будівельних конструкцій. Кислототривкі цементи не можна використовувати в умовах дії лугів, фтористоводневої та кремнійфтористоводневої кислот, киплячої води та водяної пари.

Відмінною особливістю розчинів та бетонів на основі рідкого скла поряд з кислотостійкістю є також висока жаростійкість.

М а г н е з і а л ь н і в 'я ж у ч і. Магнезіальні в'яжучі є продуктами помірного випалювання магнезиту (каустичний магнезит) або доломіту (каустичний доломіт), замішуваних розчинами електролітів: хлориду та сульфату магнію, сульфату заліза та ін. Каустичний магнезит отримують при 800...850°С, каустичний доломіт - при 650...750°С.

Підвищення температури вище оптимальної веде до ущільнення кристалів MqО, а при випалі доломіту - дисоціації СаСО_з, що погіршує якість магнезіальних в'яжучих.

Найвища міцність магнезіальних в'яжучих забезпечується при використанні як затворювача хлориду магнію. Так, каустичний магнезит, замішаний водним розчином хлориду магнію з густиною 1,2 г/см³, на 28-у добу показує границю міцності на стиск 50....60 МПа та вище. Магнезіальні в'яжучі належать до кращих в'яжучих для отримання матеріалів з використанням деревної тирси (ксилоліт) та стружки (фіброліт), що відрізняються високою ударною міцністю, тепло- та звукоізоляційними властивостями. У воді і у вологій атмосфері міцність виробів на основі магнезіальних в'яжучих знижується. Найсильніше підвищують їх водостійкість фосфатні добавки.

Необхідність використання для замішування магнезіальних в'яжучих розчинів солей різко обмежує їх вживання у будівництві.