10. Основы химии вяжущих веществ

10.1. Неорганические вяжущие вещества

Неорганическими вяжущими веществами называют материалы, способные при смешивании с водой образовывать пластично-вязкую массу, которая постепенно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело.

Признаки неорганических вяжущих веществ:

- гидрофильность;

- способность образовывать с водой тестообразную, легко формирующуюся массу;

- способность переходить из тестообразного состояния в твердое.

Отличие от органических вяжущих веществ:

- органические вяжущие вещества гидрофобны;

- в рабочее состояние переходят при расплавлении, нагревании или при растворении в органических жидкостях.

По условиям твердения и водостойкости продуктов твердения вяжущие вещества делятся на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества после замешивания с водой твердеют на воздухе и продукты твердения нестойки по отношению к воде (известь, гипсовые вяжущие и др).

Гидравлические вяжущие после замешивания с водой и начального затвердевания на воздухе в дальнейшем могут твердеть под водой; продукты твердения способны сохранять свою прочность при пребывании в воде (портландский цемент, глиноземистый цемент, пуццолановый цемент, гидравлическая известь и т.д.).

Физико-химические свойства вяжущих веществ:

- вяжущие вещества представляют собой дисперсные материалы с достаточно высокой степенью дисперсности;

- вяжущие вещества при смешивании с водой образуют пастообразную однородную смесь, называемую вяжущим тестом; оно обладает пластичностью; при хорошей пластичности массы ускоряются и удешевляются операции ее смешивания, укладки, формования и уплотнения;

- твердение вяжущих веществ происходит в результате специфических химических и физико-химических процессов; здесь различаются два процесса:

- схватывание;

- твердение.

10.2. Известь

Известь получают посредством обжига кальциево-магниевых карбонатных горных пород (известняков, мела, доломитизированных известняков, мергелистых известняков). Температура обжига 1000-1200⁰С.

Целью обжига кальциево-магниевых пород служит их декарбонизация, т.е. удаление СО₂. При этом образуется продукт, обладающий вяжущими свойствами.

Реакции, происходящие при обжиге:

СаСО₃ = СаО + СО₂;

MgCO₃ = MgO + CO₂;

При обжиге магниево-кальциевых карбонатных пород сначала завершается термическое разложение карбоната магния (650-750⁰С), а затем карбоната кальция (1000-1350⁰С). Продукт обжига (в данном случае негашеная известь, состоящая в основном из СаО) имеет пористую структуру.

При обжиге пород, содержащих наряду с карбонатами кальция и магния глинистые примеси, существенные изменения претерпевают не только карбонаты, но и гидросиликаты алюминия:

- каолит Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O;

- монтмориллонит;

- галлуазит Al₂O₃∙2SiO₂∙(2+x)H₂O;

- аллофан mAl₂O₃∙nSiO₂∙pH₂O;

При 500-800⁰С гидросиликаты алюминия деградируются, и свойства глины меняются, т.к. образуются аморфные вещества с различной структурой частиц.

При обжиге известь отличается разрыхленной структурой частиц, такая же структура характерна и для продуктов обжига глинистых примесей. Эти продукты обжига природных минералов энергично реагируют друг с другом. Реакции, происходящие в твердом состоянии в печи при 1000-1200⁰С, приводят к образованию главным образом низкоосновных алюмината и силиката кальция:

- СаО∙ Al₂O₃

- 2СаО∙ SiO₂

При 1250-1300⁰С эти соединения дальше насыщаются известью. При этом получается:

- 5СаО∙ SiO₂ ;

- 3СаО∙ Al₂O₃ (в небольших количествах);

- 3СаО∙ SiO₂ (в небольших количествах).

Получение вяжущих материалов на основе извести достигается путем диспергирования ее гашением или помолом. В обожженой извести наряду с оксидом кальция (и оксидом магния) содержатся также силикаты и алюминаты кальция. В зависимости от количества примесей получают:

- если примесей не более 6%, получается воздушная известь; содержание свободных оксидов СаО+MgO 90-95%, а силикатов и алюминатов кальция – не более 10%;

- если содержание примесей более 6%, образуется гидравлическая известь, в которой силикаты и алюминаты составляют до 70-80%, остальное – свободные СаО+MgO.

Из воздушной извести при гашении получается воздушное вяжущее вещество. Из гидравлической извести путем помола получается гидравлическое вяжущее вещество, гидравлические свойства которого обуславливаются силикатами и алюминатами кальция.

Гашение воздушной извести протекает по уравнению:

СаО+Н₂О = Са(ОН)₂ +15,64 ккал

Получается тонкодисперсный продукт без помола в результате химического диспергирования, происходящего при гидратации.

Твердение известково-песчаных смесей при обычных температурных условиях вызывается в первые месяцы, годы карбонизацией извести и ее перекристаллизацией. В присутствии СО₂, содержащийся в воздухе, идет реакция карбонизации гидроокиси кальция:

Са²⁺ + 2ОН^- + 2Н⁺ + СО₃^2- = СаСО₃ + 2Н₂О

Наличие песка в смеси облегчает доступ СО₂ в толщу материала.

Для успешного процесса схватывания и твердения извести необходимо соблюдение следующих условий:

- в сухой среде известь практически не карбонизируется;

- в присутствии большого количества воды известь также не карбонизируется, т.к. равновесие реакции смещается влево.