Глава 5. Минеральные вяжущие материалы

5.1. Классификация вяжущих веществ

Минеральными вяжущими материалами называют порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное твердеть, превращаясь в камневидное тело высокой прочности. Исключение составляют магнезиальные вяжущие, которые затворяются водными растворами солей.

Вяжущие подразделяют на воздушные, гидравлические, автоклавного твердения и кислотоупорные,

Воздушные вяжущие в затвердевшем состоянии сохраняют прочность только на воздухе.

Гидравлические вяжущие обладают гидравлическими свойствами. После первоначального затвердения на воздухе они способны сохранять прочность как на воздухе, так и в воде.

Вяжущие автоклавного твердения твердеют при давлении 0,8–1,6 МПа и температуре 174–200 ^oС.

Кислотоупорные вяжущие после первоначального затвердения на воздухе сохраняют прочность при воздействии кислот.

5.2. Воздушные вяжущие вещества

К воздушным относят гипсовые и ангидритовые вяжущие, воздушную известь, магнезиальные вяжущие вещества, жидкое (растворимое) стекло.

5.2.1. Гипсовые и ангидритовые вяжущие вещества

Гипсовыми вяжущими называют материалы, состоящие из полуводного гипса CaSO4 х0,5Н2О. Их получают термической обработкой двуводного гипса CaSO4 х2Н2О при температуре 140–180 ^oС.

Ангидритовые вяжущие получают обжигом при температуре 600–950 ^oС двуводного гипса CaSO4 х2H2О или ангидрита CaSO4. Их можно изготавливать безобжиговым способом — помолом природного ангидрита с активизаторами твердения.

На основе гипсовых вяжущих изготавливают смешанные вяжущие — гипсоцементно-пуццолановые и гипсошлакоцементные.

Сырье для гипсовых и ангидритовых вяжущих веществ.Гипсовые и ангидритовые вяжущие получают из природного сырья и отходов химической промышленности.

Из природных сырьевых материалов применяют горные породы осадочного происхождения: природный гипс, глиногипс и природный ангидрит.

Природный гипс состоит из кристаллов двуводного сернокислого кальция CaSO х2Н2O. Это гипсовый шпат, кристаллический, прозрачный, тонковолокнистый и зернистый гипс. Наиболее чистая разновидность зернистого гипса называется алебастром. Природный гипс содержит от 1 до 25% примесей известняка, доломита, песка, глины и др.

Глиногипс состоит из 30–60% двуводного гипса и глинистых примесей.

Природный ангидрит CaSO4 — горная порода кристаллического строения. Встречается реже гипса и является его подстилающим слоем. Под действием воды он постепенно переходит в двуводный гипс. Поэтому в природном ангидрите обычно содержится до 10% двуводного гипса.

Из отходов химической промышленности для изготовления гипсовых и ангидритовых вяжущих применяют фосфогипс, борогипс, фторогипс и др.

Фосфогипс получают при переработке фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения, борогипс — при производстве борной кислоты, фторогипс — при производстве фтористоводородной кислоты из плавикового шпата.

К группе гипсовых вяжущих относят строительный, формовочный, медицинский и высокопрочный (технический) гипс. Для строительства изготавливают строительный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс получают термической обработкой двуводного гипса при температуре около 150 ^oС до превращения его в модификацию полуводного гипса. При этом происходит дегидратация по реакции CaSO4 х2H2О CaSO4 х0,5H2О + + 1,5Н2О + Н с поглощением тепла. На 1 кг природного гипса теоретически затрачивается 582,1 кДж теплоты.

Производство строительного гипса состоит из дробления, помола и термической обработки гипсовой породы. Помол может выполняться раньше, позже или одновременно с термической обработкой.

Дегидратация гипсового камня осуществляется в варочных котлах, шахтных, кольцевых и вращающихся печах. Наибольшее распространение получили гипсоварочные котлы. Они представляют собой стальной цилиндр с разборным днищем, обмурованный кирпичной кладкой. Внутри его проложены жаровые трубы. Для перемешивания гипса имеется специальная мешалка.

Порошок гипса загружают в котел и варят обычно при температуре 140–150 ^oС в течение 90–120 мин при постоянном перемешивании. Для ускорения процесса варки может вводиться 0,1% поваренной соли. Полученный полугидрат выдерживают в бункере томления, а затем помещают в силосы.

Высокопрочный (технический) гипс — модификации CaSO4 х2H2О получают пропариванием в автоклавах или варкой в жидких средах.

По первому способу гипсовый камень в виде кусков размером 10–40 мм помещают в автоклав, в который подают пар под давлением 0,13 МПа и температуре 124^oС. Время пропаривания составляет 5 ч. Затем давление в автоклаве снижают до атмосферного и подают топочные газы. Сушка гипсового камня продолжается 3–5 ч при температуре 120–140 ^oС, который затем мелят в шаровых мельницах.

По второму способу термообработку порошка двуводного гипса ведут в растворе хлорида кальция или хлорида магния при температуре 105–115^oС. Время варки длится 5–7 ч.

Свойства гипсовых вяжущих. Истинная плотность строительного гипса составляет 2,6–2,75 г/см³. Насыпная плотность в рыхлонасыпанном состоянии — 800–1100 кг/м³, уплотненном — 1250–1450 кг/м³.

Водопотребность (стандартная консистенция) гипсового теста составляет 50–70% от массы гипса. Для гидратации же гипса требуется всего 18,6% воды. Избыточная вода испаряется и образует поры. Поэтому чем меньше воды идет для затворения, тем прочность гипсового камня выше. Снизить количество воды можно введением извести, лигносульфонатов технических (ЛСТ), глюкозы, мелассы или декстрина.

По срокам схватывания гипс подразделяют на быстротвердеющий, с началом схватывания не ранее 6 и не позднее 30 мин, и медленнотвердеющий — не ранее 20 мин и с ненормирующимся концом схватывания.

Сроки схватывания гипса регулируются введением добавок. Для замедления применяют ЛСТ, кератиновый замедлитель, водный раствор столярного клея в количестве 0,1% от массы гипса. Для ускорения вводят молотый гипсовый камень, поваренную соль, сульфат натрия в количестве от 0,2 до 3%.

По тонкости измельчения гипс подразделяют нагрубого помола с остатком на сите № 02 не более 23%, среднего — не более 14% и тонкого — не более 2%. Более тонкий помол повышает скорость гидратации и увеличивает его водопотребность.

По прочности гипс подразделяют на марки Г–2, Г–3, Г–4, Г–5, Г–6, Г–7, Г–10, Г–13, Г–16, Г–22, Г–25, определяемые испытанием образцов размером 40x40x160 мм через 2 ч от начала затворения на изгиб и сжатие. Прочность строительного гипса при сжатии составляет 4–6 МПа, высокопрочного — от 15 до 40 МПа и более. Прочность высушенных образцов увеличивается в 2–2,5 раза.

Прочность гипса можно повысить, уменьшив его водопотребность, старением путем увлажнения гипса паром, введением в процессе варки 0,1% хлорида кальция.

Недостатком гипса является низкая водостойкость (коэффициент размягчения составляет 0,3–0,5). Ее можно повысить введением портландцемента с активными минеральными добавками или доменных гранулированных шлаков.

При схватывании и твердении полуводный гипс увеличивается в объеме на 0,5–1%. В большинстве случаев это является положительным свойством. Уменьшить расширение можно введением до 1% негашеной извести или замедлителей схватывания. В дальнейшем при высыхании гипсовые изделия дают усадку около 0,05–0,1%, что может вызвать появление трещин.

При эксплуатации в воздушной среде гипсовые изделия из  и  — полуводного гипса долговечны. При длительном же воздействии воды они разрушаются. Плотные гипсовые изделия выдерживают 15–20 циклов замораживания и оттаивания.

Огнестойкость гипсовых изделий высокая. Они разрушаются после 6–8 ч нагрева.

Стальная арматура в гипсовых изделиях подвергается коррозии. Ее необходимо защищать цементно-битумной или цементно-полистирольной обмазками.

При взаимодействии гипса с водой происходит схватывание и твердение по схеме: CaSО4 х0,5H2O + 1,5Н2О = CaSO4 х2Н2О, с образованием двуводного гипса.

В результате химических и физических преобразований пластичная масса начинает густеть, уплотняться, превращаясь в твердое тело. Гидратация заканчивается через 20–40 мин после затворения. К этому времени достигается максимальная прочность гипсового камня во влажном состоянии.

Строительный гипс применяется для производства перегородочных плит и панелей, обшивочных листов (сухая штукатурка), архитектурных изделий, стеновых камней, для известково-гипсовых растворов, ячеистых изделий.

Высокопрочный технический гипс как более дорогое вяжущее применяют в качестве составляющего для изготовления гипсоцементно-пуццоланового и гипсоизвестково-шлакового вяжущих.

Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие. К высокообжиговым (ангидритовым) вяжущим относят: ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент), высокообжиговый гипс и отделочный ангидритовый цемент.

Ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) получают обжигом двуводного гипса в шахтных печах с последующим его помолом в порошок. При температуре 600–700 ^oС образуется ангидрит СаSО4, который не имеет вяжущих свойств. Активизируют его твердение сульфаты N2SО4, K2SO4, NaHSO4, Al2(SO4)3, материалы со щелочной реакцией — известь, основной доменный гранулированный шлак. Они вводятся при помоле от 1 до 8%.

Вместо искусственного ангидрита может применяться природный. Ангидритовый цемент имеет истинную плотность 2,8–2,9 г/см³, насыпную плотность в рыхлонасыпанном состоянии 850–1100 кг/м³, в уплотненном — 1200–1500 кг/м³, водопотребность — 30–35%. Начало схватывания этого цемента должно наступать не ранее 30 мин, конец — не позднее 8 ч. По прочности он подразделяется на марки 50, 100, 150 и 200. Выдерживает 15 циклов замораживания и оттаивания.

Применяют ангидритовый цемент для штукатурных и кладочных растворов, устройства полов и для изготовления искусственного мрамора.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом двуводного гипса или природного ангидрита при температуре 800–1000 ^oС в шахтных или вращающихся печах. Затем его измельчают в порошок. Это вяжущее имеет среднюю плотность в рыхлом состоянии 900–1000 кг/м³, в уплотненном — 1300–1700 кг/м³, водопотребность — 30–35%. Начало схватывания его должно наступать не ранее 2 ч, конец схватывания не нормируется. По прочности на сжатие высокообжиговый гипс подразделяется на марки 100, 150 и 200. Применяют его для кладочных и штукатурных растворов, для устройства полов, изготовления изделий из искусственного мрамора.

Отделочный ангидритовый цемент получают одно- или двукратным обжигом маложелезистого гипсового камня с активизаторами твердения. Качество цемента улучшается при двукратном обжиге: сначала при температуре 180–200 ^oС, затем, после пропитки алюмокалиевыми квасцами, — повторно при температуре 650–700 ^oС. Этот цемент имеет водопотребность 37–43%, начало схватывания — до 1–2 ч, конец — не позднее 2–5 ч, предел прочности в возрасте 28 суток — 25–35 МПа, цвет — белый.

Применяют отделочный ангидритовый цемент для изготовления отделочных растворов, искусственного мрамора, архитектурно-строительных изделий.