Глава 6. Неорганические вяжущие вещества

6.1. Общие сведения. Классификация

Вяжущие вещества обладают ценным свойством - соединяют широко распространенные песок, гравий, щебень в единое целое, в искусственный камень. Вяжущие вещества по составу делят на две большие группы:

- неорганические, которые затворяют водой, реже водными растворами солей. К ним относятся известь, цементы, гипсовые вяжущие, жидкое стекло и др.;

- органические, переводимые в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях (битумы, дегти, животный клей, полимеры).

Неорганические вяжущие вещества - порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное в результате физико-химических процессов с течением времени затвердевать, т.е. переходить в камневидное состояние. Это свойство широко используют для изготовления необожженных искусственных материалов: бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных изделий, строительных растворов и др.

Неорганические вяжущие вещества в смеси с водой (в виде теста) применяют крайне редко, как правило - в виде строительных растворов (с мелкими заполнителями) и в виде бетонов (с мелким и крупным заполнителем). Введение заполнителя приводит к экономии вяжущего и к улучшению свойств искусственного камня.

Неорганические вяжущие вещества делятся на следующие группы:

• Воздушные вяжущие вещества способны схватываться, твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушной среде. Такие материалы применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды. К ним относятся известковые вяжущие, состоящие главным образом из СаО; гипсовые, основой которых является сернокислый кальций; магнезиальные, содержащие каустический магнезит MgO; жидкое стекло - силикат натрия или калия в виде водного раствора.

• Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность (или даже повышать ее) не только на воздухе, но и в воде. По химическому составу они в основном состоят из четырех оксидов: СаО-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. К ним относятся портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и его разновидности, гидравлическая известь, романцемент.

• Вяжущие вещества автоклавного твердения эффективно твердеют только в среде нагретого насыщенного пара в автоклавах (t = 175-200 ⁰С, давление пара 0,9-1,3 МПа), например, известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые, нефелиновый цемент и др.

Самостоятельную группу составляют кислотоупорные вяжущие вещества: кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент и др. Они после затвердевания на воздухе могут длительное время сохранять прочность при действии на них кислот.

6.2. Воздушные вяжущие вещества

6.2.1. Гипсовые вяжущие вещества

Сырьем для получения служит природный гипсовый камень СаSO₄.2H₂O и природный ангидрит СаSO₄ , а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например, фосфогипс (отход при производстве фосфорной кислоты).

Технологический процесс производства гипсовых вяжущих состоит в измельчении гипсового камня и последующей тепловой обработке (дегидратации). В зависимости от температуры обжига гипсовые вяжущие подразделяют на низкообжиговые (110-180 ⁰С) и высокообжиговые (600-900 ⁰С).

Используемые технологические схемы отличаются друг от друга числом и последовательностью основных операций. Широко распространена схема производства низкообжиговых гипсовых вяжущих (строительный гипс) в варочных котлах или печах. Применяются также установки совмещенного помола и обжига. Тепловая обработка в этих условиях производится при атмосферном давлении, вода из исходной горной породы выделяется и удаляется в виде пара:

CaSO_4.2H₂O = + 1,5Н₂О -Q

Это эндотермическая реакция, идущая с поглощением тепла. Продукт реакции - -модификация СаSO₄.0,5Н₂О имеет мелкие кристаллы с нечетко выраженными гранями.

Для получения высокопрочного гипса, состоящего в основном из -СаSO₄.0,5Н₂О (имеет крупные и плотные кристаллы в виде игл или призм), создают такие условия, при которых кристаллизационная вода удаляется в капельно-жидком состоянии. Известны два способа получения высокопрочного гипса: автоклавный и способ кипячения в водных растворах некоторых солей при атмосферном давлении. Получаемый -полугидрат характеризуется меньшей водопотребностью (30-45%) по сравнению с -полугидратом, пониженной пористостью и повышенной прочностью на сжатие - до 50 МПа.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают обжигом дробленого гипсового камня или ангидрита во вращающихся печах с последующим размолом продукта обжига.

Ангидритовое вяжущее - продукт обжига СаSО₄.2Н₂О при температуре 600-900 ⁰С с последующим измельчением с добавками-катализаторами (известь, обожженный доломит, основные доменные шлаки). Ангидритовое вяжущее получают также помолом природного ангидрита СаSО₄ с добавками-активизаторами твердения (способ П.Г.Будникова).

Высокообжиговый гипс состоит из ангидрита СаSО₄ и 3-5% СаО, образующегося при разложении СаSО₄ и выполняющего роль катализатора при твердении СаSО₄. Высокообжиговый гипс получают обжигом гипсового камня при температуре 800-1000⁰С и последующим помолом, в отличие от строительного гипса он медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность выше.

Твердение строительного гипса происходит в результате растворения - полугидрата, образования его пересышенного раствора, в котором возникают зародыши кристаллов двугидрата:

+ 1,5Н₂О= CaSO_4.2H₂O + Q (экзотермическая реакция).

По теории твердения А.А.Байкова выделяют три периода твердения:

- подготовительный период - образование раствора, насыщенного по отношению к продуктам гидратации; пластичное состояние теста;

- период коллоидации - образование коллоидно-дисперсной массы в виде геля; загустевание теста (схватывание);

- период кристаллизации – кристаллизация новообразований, рост кристаллов, их срастание, образование кристаллизационной структуры; твердение системы и рост ее прочности.

Дальнейшее увеличение прочности происходит за счет высыхания гипсового камня - удаления пленочной воды.

Основные свойства гипсовых вяжущих определяются по стандартным методикам.

Тонкость помола определяется в зависимости от остатка на сите 0,2 мм при просеивании пробы гипса; различают вяжущие грубого, среднего и тонкого помола.

Водопотребность определяется количеством воды в % от массы вяжущего, необходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции. Консистенция оценивается по диаметру расплыва лепешки из гипсового теста на вискозиметре Суттарда.

Чтобы получить удобоукладываемое гипсовое тесто, необходимо взять 50-70% воды от массы гипса, а на химическую реакцию гидратации требуется лишь 18,6% Н₂О. Избыток воды затем испаряется, что обуславливает большую пористость (40-60% и более), и соответственно, невысокую прочность.

По срокам схватывания различают группы гипсовых вяжущих, приведенные в таблице 6.1.

Марку гипса (от Г-2 до Г-25, где цифра обозначает предел прочности при сжатии, МПа) определяют по результатам испытаний образцов-балочек размерами 40х40х160 мм через 2 ч после изготовления. Балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся при этом половинки – на сжатие.

Особенностью процесса твердения гипса является небольшое увеличение до 1% в объеме, что благоприятно для изготовлении архитектурных деталей (рельефов) способом литья.

Таблица 6.1

Группы гипсовых вяжущих веществ по срокам схватывания

Вид вяжущего	Индекс сроков схватывания	Сроки схватывания, мин.
		Начало, не ранее	Конец, не позднее
Быстротвердеющее	А	2	15
Нормальнотвердеющее	Б	6	30
Медленнотвердеющее	В	20	не нормируется

Водостойкость. Прочность гипсовых вяжущих в воде снижается из-за растворения СаSО₄.2Н₂О и разрушения кристаллического сростка. Водостойкость повышают гидрофобные добавки, молотый доменный гранулированный шлак, пропитка водоотталкивающими составами и т.д.

К недостаткам гипсовых вяжущих помимо низкой водостойкости можно отнести и значительную деформацию под нагрузкой (ползучесть).

Применение. Гипсовые вяжущие применяют для изготовления гипсовых деталей, гипсобетонных изделий - гипсовых плит для перегородок, гипсобетонных панелей, сухой штукатурки, тонкостенных изделий (вентиляционные короба и др.), а также для приготовления штукатурных растворов и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ), применяемых в заводском производстве санитарно-технических кабин, стеновых панелей и проч.