40. Минеральные вяжущие вещества (определение и классификация).

Минеральные вяжущие вещества - это тонкоизмельченные порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, которое самопроизвольно или в опре­деленных условиях постепенно затвердевает и переходит в камневидное состояние. Таким образом, вяжущие вещества могут скреплять между собой камни (например, кирпич) или зерна песка, гравия и щебня. Это свойство вяжущих веществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных материалов и изделий.

Минеральные (неорганические) вяжущие вещества получают путем обжига в печах природных каменных материалов (извест­няков, гипса, ангидрита, доломита, магнезита) или их смесей с глиной. Куски, полученные после обжига, с помощью помола превращают в тонкий порошок. Чем меньше размер зерен после помола, тем выше активность (качество) вяжущего.

В зависимости от условий твердения минеральные вяжущие подразделяют на воздушные, гидравлические, кислотостойкие и вяжущие автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохра­няют свою прочность только на воздухе. К ним относят воздуш­ную известь, гипсовые, магнезиальные вяжущие и жидкое стек­ло. Во влажных условиях они теряют свою прочность, поэтому их применяют только в сухих условиях эксплуатации.

Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность как на воздухе, так и в воде. Для эф­фективного твердения гидравлических вяжущих необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно была вода; в сухих условиях процесс твердения приостанавливается. В сухих усло­виях вяжущее теряет большую часть воды затворения, и хими­ческие реакции, благодаря которым формируется прочность ма­териала, замедляются. В благоприятных условиях, когда влаж­ность окружающей среды достаточна, или в воде гидравлические вяжущие со временем повышают прочность. К ним отно­сят: гидравлическую известь, портландцемент и его разновидно­сти, глиноземистый цемент и др.

Кислотостойкие вяжущие после затворения их водным рас­твором силиката натрия (жидкого стекла) затвердевают на воз­духе. Затем они длительное время сохраняют прочность при воздействии некоторых кислот. Эти материалы теряют проч­ность в воде, а в среде едкой щелочи разрушаются.

Вяжущие автоклавного твердения - разновидность гид­равлических вяжущих. Прочность их формируется только при повышенной температуре (175... 180 °С) и обязательно в среде насыщенного водяного пара, т. е. в условиях автоклавной обра­ботки (при давлении 0,8... 1,5 МПа). В группу этих вяжущих входят нефелиновый цемент, известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие и др.

По химическому составу минеральные вяжущие вещества подразделяют на следующие основные группы: строительная известь, гипсовые вяжущие, цементы, смешанные вяжущие, магнезиальные вяжущие, жидкое (растворимое) стекло.

41. Воздушные вяжущие вещества (определение, разновидности, сырье, получение).

Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохра­няют свою прочность только на воздухе. К ним относят воздуш­ную известь, гипсовые, магнезиальные вяжущие и жидкое стек­ло. Во влажных условиях они теряют свою прочность, поэтому их применяют только в сухих условиях эксплуатации.

Воздушная известь - одно из древнейших вяжущих, широко применяемых в строительстве и промышленности. Известь - продукт умеренного обжига кальциевых и кальциево-магниевых карбонатных пород до возможно полного удаления углекислого газа. В результате обжига образуется продукт белого цвета, на­зываемый негашеной комовой известью (кипелкой):

Производство. Сырьем для получения извести являются распространенные осадочные горные породы: известняки, доло­миты, мел, доломитизированные известняки, содержащие не бо­лее 8 % глины. В сырье преобладает карбонат кальция СаС0₃, в небольшом количестве содержатся карбонат магния MgC0₃ и некоторые примеси. Сырье обжигают в шахтных или вращаю­щихся печах при температуре 900...1200 °С:

СаСОз = СаО + C0₂; MgC0₃ = MgO + C0₂

Гип­совые вяжущие - строительный гипс, формовоч­ный и высокопрочный, эстрих-гипс. В строительной практике гипс иногда называют алебастром (от греч. alebastros - белый). Эти минеральные вяжущие воздушного твердения образуются путем тепловой обработки и цомола сырья, содержащего дву- водный или безводный сульфат кальция.

Производство. При нагревании природного двуводного гип­сового камня происходит частичная его дегидратация, при этом образуется полуводный сульфат кальция β-модификации

CaS0₄ • 2Н₂0 -> CaS0₄ • 0,5Н₂0 + 1,5Н₂0.

Обжиг тонкоизмельченного природного гипса протекает при низких температурах (110... 180 °С) в котлах; кристаллизацион­ная вода при этом выделяется в виде водяного пара, поэто­му говорят, что гипс «варят» в котле. Из полуводного гипса CaS0₄ • 0,5Н₂0 состоят все низкообжиговые гипсовые вяжущие. Прочность при сжатии полуводного гипса невысокая - 2... .. .25 МПа, плотность - 2600.. .2750 кг/м³, насыпная плотность - 800... 1000 кг/м³; цвет порошка - белый или серый.

Магнезиальные вяжущие вещества (каустический магнезит MgO и каустический доломит MgO + СаСОэ) - тонкодисперсные порошки, активной частью которых является оксид магния.

Получают магнезиальные вяжущие умеренным (до 750.. .850 °С) обжигом магнезита (реже - доломита). При этом карбонат маг­ния диссоциирует с образованием оксида магния

MgC0₃ — MgO + со₂,

а карбонат кальция СаС0₃ (в доломите) остается без изменения и является балластной частью вяжущего. Обожженный продукт размалывают.

В каустическом магнезите содержится оксида магния до 85 % по массе и более, тогда как допустимое содержание оксида кальция лимитируется 2...5 %.

При затворении водой оксид магния гидратируется очень медленно, проявляя слабые вяжущие свойства. Магнезиальные вяжущие принято затворять раствором хлорида (сульфата) маг­ния или кислот (НС1 или H₂S0₄). В этом случае гидратация про­текает значительно быстрее

MgO + Н₂0 -» Mg(OH)₂,

а получаемое после затворения вяжущее именуется цементом Сореля. Кроме того, возможно образование гидрата оксихлорида магния (3MgO • MgCl₂ • 6Н₂0), уплотняющего образующийся материал. Отношение MgCl₂: MgO в вяжущем берут обычно по массе -1:2 или 1:4.

Жидкое стекло - коллоидный водный раствор растворимого силиката натрия Na₂0 • mSi0₂ или силиката калия К₂0 • wSi0₂ плотностью 1300...1500 кг/м³ при содержании воды 50...70 %. Величина т указывает отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочного оксида и называется силикатным мо­дулем стекла. Для натриевого стекла т составляет 2,6.. .3,5, для калиевого - 3...4. Качество жидкого стекла характеризуется мо­дулем т и плотностью. Чем выше модуль, тем выше качество жидкого стекла. •

Растворимый силикат натрия Na₂0 • mSi0₂ получают сплав­ляя кварцевый песок Si0₂ с содой Na₂C0₃, а силикат калия К₂0 • wSi0₂ - сплавлением песка с поташом К₂С0₃. Стекло ва­рят в стекловаренных печах при температуре 1400 °С. Когда разлитый расплав застывает, образуются прозрачные различных оттенков куски стекла, называемые силикат-глыбой. Раздроб­ленные куски стекла растворяют в воде в автоклаве при темпе­ратуре 120...150 °С и давлении пара 0,6...0,8 МПа. В результате получают жидкое натриевое или калиевое стекло.

Жидкое стекло твердеет медленно - в результате слипания и уплотнения частиц свободного кремнезема (кремнегеля) при ис­парении воды и воздействия углекислого газа воздуха

Na₂0 • mSi0₂ + nH₂0 + С0₂ = Na₂C0₃ + nSi0₂ • nН₂0.

Ускорить процесс твердения и повысить водостойкость ма­териала можно добавкой кремнефтористого натрия.