2. Минеральные вяжущие вещества

Минеральные вяжущие веще­ства – это порошки, полученные в результате тонкого помола обожжённых природных каменных материалов. При затворении вяжущего водой образуется клейкая пластичная масса (тесто), способная затвердевать в воздушных условиях, а после затвердения набирать прочность во времени в результате физико-химических процессов.

Минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основного свойства затвердевать и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды делят на две основные группы: воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, затвердевают и длительно сохраняют прочность лишь в воздушно-сухих условиях. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются. К числу воздушных вяжущих веществ относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и растворимое (жидкое) стекло.

Гидравлические вяжущие вещества отличаются тем, что после затворения водой и предварительного твердения на воздухе способны в последующем набирать прочность, как в воздушной, так и в водной среде. К ним относятся гидравлическая известь и многие разновидности цементов.

Изучение каждого вяжущего вещества следует проводить по сле­дующей схеме.

1. Исходное сырье и технология производства.

2. Состав вяжущего и процесс твердения после затворения.

3. Свойства вяжущего.

4. Правила хранения и транспортирования.

5. Применение вяжущего в строительстве с учётом экономической эффективности.

Для правильного выбора тех или иных вяжущих в конкретных целях необходимо изучить их состав и свойства, уметь определять их качество и делать заключение об их соответствии техническим требованиям.

Строительным гипсом называется воздушное вяжущее вещест­во, полученное путём термическое обработки при 120…180 ºС природного гипсового камня, измельчённого до или после этой обработки.

Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный, высокообжиговый (эстрихгипс) и высокопрочный гипсы.

Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельчённого двуводного гипса.

Гипс формовочный состоит также из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола α-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии. Такие условия возможны в автоклаве в среде насыщенного пара при давлении 0,15…0,3 МПа.

Гипс высокообжиговый (эстрихгипс). При температурах обжига (800… 950 ºС) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит и частичная термическая диссоциация с образованием СаО, активизирующим химическое взаимодействие вяжущего с водой и ускоряющим процессы твердения. Предел прочности при сжатии таких вяжущих составляет 10…20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем строительного гипса.

В соответствии с ГОСТ 125-79**(СТ СЭВ 826-77) в зависимости от предела прочности на сжатие различают следующие марки гипсовых вя­жущих: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.

Минимальный предел прочности каждой марки вяжущего должен соответствовать значениям, приведённым в табл. 1.

Таблица 1

Марка вяжущего	Прочность образцов-балочек размерами 40×40×160 мм в возрасте 2ч., не менее
	При сжатии, МПа (кг/см2)	При изгибе, МПа (кг/см2)
Г-2	2 (20)	1,2 (12)
Г-3	3 (30)	1,8 (18)
Г-4	4 (40)	2,0 (20)
Г-5	5 (50)	2,5 (25)
Г-6	6 (60)	3,0 (30)
Г-7	7 (70)	3,5 (35)
Г-10	10 (100)	4,5 (45)
Г-13	13 (130)	5,5 (55)
Г-16	16 (160)	6,0 (60)
Г-19	19 (190)	6,5 (65)
Г-22	22 (220)	7,0 (70)
Г-25	25 (250)	8,0 (80)

В зависимости от сроков схватывания различают гипсовые вяжущие, приведённые в табл. 2.

Таблица 2

Вид вяжущего	Индекс сроков твердения	Сроки схватывания мин.
		Начало, не ранее	Конец, не позднее
Быстротвердеющий	А	2	15
Нормальнотвердеющий	Б	6	30
Медленнотвердеющий	В	20	не нормируется

В зависимости от степени помола различают виды вяжущих, приведённые в табл. 3

Таблица 3

Вид вяжущего	Индекс степени помола	Максимальный остаток на сите с размером ячеек 0,2 мм., %, не менее
Грубого помола	1	23
Среднего помола	2	14
Тонкого помола	3	2

Так, например, гипсовое вяжущее с прочностью 5,2 МПа (52 кгс/см²), со сроками схватывания: начало – 5 мин., конец – 9 мин. и остатком на сите с размером 0,2мм – 9 %, будет иметь условное обозначение Г-5 А-2.

Марки гипса от Г-2 до Г-7 (группы А, Б, В и I, II, III) применяют для изготовления разнообразных гипсовых строительных изделий. Марки Г-2 до Г-7 (группы А, Б и II, III) применяют для изготовления тонкостенных строительных изделий и декоративных деталей. Марки от Г-2 до Г-25 (Б, В и II, III) применяют в штукатурных работах, для заделки швов и в специальных целях.

Строительной воздушной известью называется вяжущее вещество, получаемое обжигом карбонатных известняковых и известняково-магнезиальных пород (известняков, мела, доломита и т.п.), содержащих не более 6 – 8 % глинистых примесей.

Сырьём для производства воздушной извести служат плотные известняки, ракушечники, мел, доломитизированные известняки. Сырье обжигают при температуре 900…1200 ºС до полного удаления углекислого газа. Известняки при обжиге разлагаются на известь СаО и углекислый газ, который полностью удаляется. Реакция разложения известняка обратимая.

Различают следующие виды воздушной извести:

1) известь негашёную комовую;

2) известь негашёную молотую;

3) известь гидратную (пушонку);

4) известковое тесто.

Известь негашёная комовая представляет собой смесь кусков различной величины, По химическому составу она почти полностью состоит из свободных окисей кальция и магния. Негашёная комовая известь является полуфабрикатом. В строительстве её обычно используют в гашеном виде.

Известь негашёная молотая – порошковидный продукт тонкого измельчения комовой извести, По химическому составу она подобна комовой извести.

Гидратная известь – высокодисперсный сухой порошок, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести соответствующим количеством воды (согласно стехиометрическому уравнению), обеспечивающим переход окисей кальция и магния в их гидраты Са(ОН)₂ и Mg(OH)₂. Физико-химический процесс гидратации извести заключается в растворении исходного вещества и его взаимодействии с водой:

СаО + Н₂О ↔ Са(ОН)₂ + 65,3 кДж

Известковое тесто – продукт, получаемый гашением комовой или молотой негашёной извести количеством вода, обеспечивающим переход окисей кальция и магния в их гидраты и образование пластической тестообразной массы (в готовом тесте 50 % воды).

Воздушная известь по виду содержащегося в ней основного окисла разделяется на: кальциевую, (МgО не более 5 %), магнезиальную (МgО от 5 до 20 %), доломитовую (МgО от 20 до 40 %).

Качество воздушной извести (активность извести) оценивается по разным показателям, основным из которых является содержание в ней свободных оксидов кальция (СаО) и магния (МgО). По ГОСТ 9179-77 в зависимости от суммарного количества окисей кальция и магния известь делят на три сорта.

В негашёной кальциевой извести 1 сорта активных окисей кальция и магния должно быть не менее 90 %, 2 сорта не менее 80 % и 3 – не менее 70 %.

В магнезиальной и доломитовой извести количество свободных, окисей кальция и магния должно быть в 1 сорте не менее 85 %, во 2 не менее 78 % и в 3 – не менее 65 %.

Кроме того, в соответствии с ГОСТ 9179-77 извести различают по скорости гашения. К быстрогасящимся относятся извести со скоростью гашения не более 8 мин., к среднегасящимся – не более 25 мин., к медленногасящимся – более 25 мин.

Известь является местным вяжущим веществом и поэтому широко применяется в строительстве. Из воздушной извести получают: растворы для наземной части зданий и штукатурки, бетоны низких марок для наземных конструкций, плотные и ячеистые силикатные изделия, блоки, панели, известковые красочные составы и др. Гидравлическая известь используется наряду с воздушной для изготовления штукатурных и кладочных растворов, смешанных цементов и др.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твер­деющее в воде и на воздухе, получаемое путём совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер подучается в результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава (из мергелей или смеси карбонатной породы и глины), обеспечивающего преобладание в клинкере, силикатов кальция. Портландцемент может выпускать­ся без добавок или с активными минеральными добавками в количестве до 25 % от веса цемента.

Шлакопортландцемент получают путём совместного тонкого измельчения клинкера, необходимого количества гипса и доменного гранулированного шлака. Шлакопортландцемент применяют для получения строительных растворов и бетонов, используемых преимущественно в подземных и подводных сооружениях.

Быстротвердеющий портландцемент применяется там, где необходимо схватывание материала в сжатые сроки. Прочность этого вида цемента возрастает уже на первом этапе отвердевания – в первые 3 сут. твердения.

Гидрофобный портландцемент отличается сложным составом. В него включают гидрофобные добавки, поэтому при длительном хранении даже в очень влажных условиях не комкуется и сохраняет активность.

При изготовлении белого портландцемента применяют маложелезистый клинкер. Это позволяет получить не обычный серый цемент, а материал белого цвета, на основе которого путём добавления красящих пигментов получают разноцветные цементы.

В состав пластифицированного портландцемента входит до 0,25 % пластифицирующих добавок. Пластифицированный цемент придаёт растворным и бетонным смесям повышенную подвижность по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды.

Пуццолановый портландцемент содержит не менее 20% активных минеральных добавок. В отличие от обычного портландцемента пуццолановый цемент обладает повышенной коррозийной стойкостью, особенно в мягких водах. Пуццолановый цемент применяют в основном для получения бетонов используемых в подводных и подземных сооружениях.

Сульфатостойкий портландцемент по сравнению с обычным портландцементом обладает повышенной стойкостью к действию минерализованных вод содержащих сульфаты. Сульфатостойкий портландцемент отличается нормированным минералогическим составом.

Свойства портландцемента. К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопотребность цемента), равномерность изменения объёма цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора.

Истинная плотность цемента находится в пределах 3000…3200 кг/м³, плотность в рыхлом состоянии – 900…1300 кг/м³, в уплотнённом (слежавшемся) – 1200…1300 кг/м³.

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 008 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТ через сито № 008 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зёрен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500…3000 см²/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы цемента) определяется погружением пестика, укрепляемого на штанге прибора Вика, и колеблется в пределах 21 ... 28 %. Она зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола.

Сроки схватывания проверяют прибором Вика на цементном тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТ начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец – не позднее 10 ч (обычно – 2…3 ч).

Одним из основных свойств цемента является прочность, которая определяется в положенные сроки (на 28 сут. твердения) испытанием образцов (балочек) размером 40×40×160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок – на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч. – нормального вольского песка). Этот показатель называют маркой портландцемента. Цементная промышленность выпускает следующие марки портландцемента М300; М400; М500; М550; М600.