1.2. Воздушная известь

Воздушная известь получается путем обжига известняка, ракушечника и других природных материалов, содержащих карбонат кальция. Главной составной частью обожженного материала является безводная окись кальция – СаО ("негашеная известь"):

С аСO₃ ^900-1000ос СаО + СО₂ .

Перед употреблением извести в качестве вяжущего ее гасят. При этом протекает следующая реакция:

СаО + H₂O = Са(ОH)₂ + 15,5 ккал (64,8 кДж).

Свойство извести "гаситься" используют для приведения ее в дисперсное состояние. Известь является медленнотвердеющим вяжущим. В строительстве часто применяют в смеси с песком (1 часть извести на 3 части песка), которая называется известковым раствором.

Процесс твердения воздушной извести заключается в следующем: испаряющаяся с поверхности известкового теста влага способствует выделению Са(ОH)₂ в кристаллическом состоянии как внутри, так и на поверхности теста. Находящийся на поверхности Са(ОН)₂ поглощает из воздуха углекислый газ СО₂, происходит очень медленное образование карбоната кальция СаСО₃, называемое реакцией карбонизации:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаCO₃+ Н₂O + 17 ккал (71,16 кДж).

СаCO₃ – соединение, почти нерастворимое в воде. Из насыщенной жидкой фазы известкового теста, вследствие малой растворимости, выделяется Са(ОН)₂ и СаCO₃ сначала в коллоидном, затем в кристаллическом сoстоянии. За счет кристаллизации идет нарастание прочности известкового теста и превращение его в камневидное тело.

Таким образом, к получению твердого продукта приводят процессы гелеобразования, кристаллизации и карбонизации.

3. Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества получают при обжиге магнезита (MgСО₃) или доломита (MgСО₃ • СаCO₃ )

MgСO₃ = MgO + CO₂.

Получающийся обожженный магнезит называют каустическим магнезитом или магнезиальным вяжущим. Затворяются магнезиальные вяжущие насыщенными растворами хлорида или сульфата магния:

MgO + MgCI₂ + Н₂O = 2MgOHCI.

Это упрощенная схема твердения магнезиальных вяжущих. Чаще состав затвердевших продуктов представляют формулой

xMgO•yMgCI₂• Н₂O.

Магнезиальные вяжущие имеют сроки схватывания от 20 минут до 6 часов. Так как они хорошо соединяются с древесно-волокнистыми материалами, то на их основе можно готовить ксилолит (наполнитель – опилки) и фибролит (наполнитель – стружки). Ксилолит и фибролит – хорошие тепло- и звукоизоляционные материалы.

2. Гидравлические вяжущие вещества.

2.1. Портландцемент

Наиболее важным гидравлическим вяжущим является портландцемент. Это медленнотвердеющее вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до спекания, т.е. примерно до 1500°С) мергелей или искусственных смесей, состоящих из 75-78 % известняка СаСО₃ и 22-25 % каолина Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O. Полученный материал, называемый цементным клинкером, подвергают тонкому помолу. При помоле к клинкеру добавляют природный гипс в количестве от 3 до 5% с целью замедления сроков схватывания. Такой молотый тонкодисперсный продукт называется цементом.

Цементный клинкер состоит из четырех соединений, называемых минералами. Это 3CaO•^.SiO₂, 2CaO•SiO₂, 3CaO •Al₂O₃, 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃. При затворении цемента водой происходит взаимодействие его минералов с водой, сопровождающееся образованием новых соединений, которых не было в цементном клинкере. При этом протекают реакции гидролиза и гидратации:

1. 3CaO•SiO₂ + nH₂O = 2CaO•SiO^.₂•nH₂O;

2. 3CaO•SiO₂+ (n+1)H₂O = Ca(OH) ₂ + 2CaO•SiO₂ •nH₂O;

3. 3CaO•Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO•Al₂O₃•6H₂O;

4. 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃ + (m+7) H₂O = Ca(OH) ₂ + 3CaO•Al₂O₃• 6H₂O + + Fe₂O₃• mH₂O.

В этом состоит химизм твердения портландцемента. Однако схватывание и твердение портландцемента обусловлены комплексом физико-химических процессов. По теории А.А.Байкова процесс превращения цементного порошка при затворении его водой в цементный камень протекает в три стадии.

Первая стадия – затворение. При этом образуется насыщенный раствор.

Вторая – стадия коллоидации. В результате взаимодействия с водой образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие малой растворимостью. Поэтому они образуют коллоидный раствор. Материал приобретает структуру геля, который еще не обладает механической прочностью, но способен сохранить форму.

Третья – стадия кристаллизации. При этом наблюдается процесс перекристаллизации мелких частиц коллоидной системы в более крупные кристаллические частицы, которые, переплетаясь и срастаясь, образуют твердый материал, обладающий механической прочностью. Наряду с кристаллизацией протекает уплотнение геля за счет связывания воды ранее не прореагировавшими частицами различных минералов цементного клинкера.