4. Неорганические вяжущие вещества

4.1. Общие сведения и классификация

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкооб­разные материалы, которые при смешивании с водой образуют пла­стично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно за­твердевать в результате физико-химических процессов. Неорганические вяжущие вещества подразделяют на воздушные и гидрав­лические.

Воздушные вяжущие вещества способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на четыре группы: гипсовые, известковые, магнезиальные и жидкое стекло.

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохра­няют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие ве­щества представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех видов: СаО-SiO₂-Аl₂Оз-Fе₂О₃. Эти соеди­нения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: си­ликатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силика­тов кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности - главные вяжущие современного строительства; алюминатные цемен­ты, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности; гидравлическая известь и романцемент.

В отдельную группу выделяют вяжущие автоклавного тверде­ния - это вещества, способные при автоклавном синтезе, происходя­щем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образовани­ем плотного, прочного камня. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжу­щие и др., хотя по существу они тоже относят­ся к гидравлическим вяжущим.

4.2. Воздушные вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества – это воздушные вяжущие, состоя­щие в основном из полуводного гипса или ангидрида и получаемые тепловой обработкой сырья и помолом.

Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит гор­ная порода гипс, состоящая преимущественно из минерала гипса CaSO₄·2H₂O. Используются в качестве сырья также ангидрит CaSO₄ и отходы промышленно­сти (фосфогипс - от переработки природных фосфатов в суперфос­фат, борогипс и др.).

Гипсовые вяжущие вещества подразделяются в зависимости от температуры тепловой обработки на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обра­боткой природного гипса при низких температурах (110-180°С). Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидратация сырья при указанных температурах приводит к превращению двуводного гипса в полугидрат:

CaSO₄·2H₂O =CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O.

К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относятся строительный, формовочный и высокопрочный гипс. Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом гипсовой породы (гипсового камня) в варочных котлах или печах. В первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом в виде порошка нагревают в котлах. Имеются промышленные установки, в которых совмещены помол и обжиг. При обжиге в незамкнутом про­странстве вода выделяется и удаляется в виде пара, поэтому строительный гипс состоит в основном из кристаллов CaSO₄·0,5H₂O, называемых β-модифи­кацией.

Высокопрочный гипс получают термической обработкой высоко­сортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением насыщенного водяного пара. В таких условиях вода выделяется и удаляется в капельно-жидком виде, поэтому высокопрочный гипс состоит в основном из полуводного сульфа­та кальция называемого α-модификацией, более активной, чем β-модификация. Поэтому прочность высокопрочного гипса при сжатии (15-25МПа, а при специальной технологии производства – до 60МПа) превышает прочность строи­тельного гипса. Из него изготавливают элементы стен и сборных пе­регородок, камни для стен.

По сро­кам схватывания гипсовые вяжущие делят на три группы: А – быстросхватывающиеся (2-15 мин), Б – нормальносхватывающиеся (6-30 мин) и В – медленно схватывающиеся (начало схватывания не ранее 20 мин, конец схватывания не нормируется). Для гипсовых вяжущих стандартом установлено 12 марок по прочности: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Рис. 4. Шахтная печь: 1 - шахта печи; 2 - загрузочный механизм; 3 - зона подогрева; 4 - зона обжига; 5- зона охлаждения; 6 - гребень; 7 - разгрузочный механизм

Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества производят путем обжига гипсового камня при высоких температурах (600-900°С), поэтому они состоят преимущественно из ангидрида CaSO₄, который частично подвергается термической диссоциации с образованием СаО. Небольшое количество оксида кальция в составе вяжущего иг­рает роль активизатора взаимодействия вяжущего с водой. Высокообжиговый гипс (в отличие от строительного гипса) мед­ленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность при сжатии выше.

При твердении строительного гипса происходит химическая реак­ция присоединения воды и образования двуводного сульфата каль­ция:

CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O = CaSO₄·2H₂O.

Подробнее о методах определе- ния свойств гипсового вяжущего см. главу 2 второго раздела настояще-го пособия.

Воздушная известь – продукт умеренного обжига кальциево-магни- евых карбонатных горных пород: мела, известняка, доломитизирован- ного известняка, доломита. Основной составляющей известняка является карбонат кальция (СаСО₃). Обжигают известняк при температуре 900-1200°С до воз­можно более полного удаления СО₂ по реакции:

СаСО₃ = СаО + СО₂ ↑.

Продукт обжига содержит, кроме СаО (основной составной части), также и некоторое количество оксида магния, образовавшегося в ре­зультате термической диссоциации карбоната магния, частично содержащегося в сырье:

MgCO₃ = MgO + СО₂↑.

Чем выше содержание основных оксидов (СаО + MgO) в извести, тем пластичнее известковое тесто и тем выше ее сорт. Обжиг известняка чаще всего производят в шахтных печах (рис. 4), в ко­торые известняк поступает в виде кусков размером 8-20 см. При обжиге известняка удаляется углекислый газ, со­ставляющий 44% от массы СаСОз, поэтому комовая негашеная из­весть получается в виде пористых кусков, активно взаимодействую­щих с водой при гашении.

Гашение воздушной извести заключает­ся в гидратации оксида кальция при дей­ствии воды на комовую негашеную из­весть:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂.

Гашение сопровождается разогревом массы вследствие выделения значительно­го количества тепла – 950 кДж/кг. В про­цессе гашения куски негашеной извести самопроизвольно диспергируются, распа­даясь на тонкие частицы Са(ОН)_2. Высокая удельная поверхность частиц Са(ОН)₂ обуславливает большую водоудерживающую способность и пластич­ность известкового теста.

Гашение комовой извести в тесто на заводах производят в специализированных известегасильных машинах. В зависимости от количества воды, добавляемой к комовой извес­ти, можно получить известковое тесто или гидратную известь (пу­шонку). Гашение извести в пушонку осуществляют в гидраторах не­прерывного действия, в которых выделяющееся тепло и водяные па­ры используются для превращения комовой извести в тончайший порошок с насыпной плотностью 400-450 кг/м³. При гашении в пушонку известь увеличивается в объеме в 2-3,5 раза; в большей степени "распушивается" высокоактивная известь с высоким содержанием СаО.

На воздухе известко­вый раствор постепенно отвердевает под влиянием двух одновремен­но протекающих процессов: высыхание раствора, сближение кри­сталлов Са(ОН)₂ и их срастание; карбонизация извести под действием углекислого газа, который в небольшом количестве содержится в воздухе:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСОз + Н₂О.

Молотую негашеную известь получают путем тонкого размола комовой извести без предварительного гашения. Строительные рас­творы и бетоны, приготовленные на молотой негашеной извести, быстро схватываются и отвердевают вследствие гидратационного твердения негашеной извести. При правильно подобранном водоизвестковом отношении (0,9-1,5) кристаллы гидроксида кальция, полу­чившиеся при гидратации оксида кальция непосредственно в мате­риале (СаО·Н₂О), срастаются между собой и быстро образуют прочный кристаллический сросток.