17. Назовите основные стадии гидратационного твердения гипсовых и ангидритовых вяжущих веществ. Ответ мотивируйте приведение химических реакций соответствующих процессов

Твердение вяжущего вещества заключается в том, что при смешивании с водой оно образует пластичное тесто, превращающееся впоследствии в твердое камневидное тело с определенной прочностью. Это превращение происходит не сразу, а постепенно и обусловливается рядом химических и физических процессов.

CaSO₄ · 0,5H₂O + 1,5H₂O = CaSO₄ · 2H₂O.

При схватывании и твердении гипса полугидрат переходит в кристаллический двуводный гипс.

По теории академика Байкова, процесс твердения строительного гипса и других минеральных вяжущих веществ, образующих гидратные соединения, делится на три периода.

-Первый период, начинающийся с момента смешения гипса с водой,— растворяется полуводный гипс и образуется насыщенный раствор.

-Второй период — взаимодействие воды с полуводным гипсом с прямым присоединением ее к твердому веществу. Это приводит к возникновению двуводного гипса в виде высокодисперсных кристаллических частичек и к образованию коллоидной массы в виде геля, что сопровождается схватыванием массы.

-Третий период (кристаллизация и твердение) характеризуется превращением студня в кристаллический сросток.

Эти периоды наступают не в строгой последовательности один за другим. Так, еще до образования насыщенного раствора образуется коллоидальная масса, а превращение ее в кристаллы начинается ранее окончания процесса коллоидации во всей массе затворенного гипса. Образовавшиеся кристаллы CaSO4-2H2O срастаются в единый кристаллический сросток, что и обусловливает рост прочности гипсового камня. В дальнейшем при высыхании прочность его увеличивается, так как потеря воды способствует более прочному сращиванию.

18. Перечислите технические свойства гипсовых вяжущих веществ и приведите их характеристику

По техническим требованиям (ГОСТ 125-79 (с изм.)) качество строительного гипса оценивается по следующим основным показателям:

- тонкости помола;

- водопотребности;

- срокам схватывания;

- прочности (марка).

ТОНКОСТЬ ПОМОЛА. Тонкость помола строительного гипса характеризуется остатками на сите № 02 (размер ячейки в свету 0,2 мм), выраженными в процентах от первоначальной массы пробы. При этом различают следующие виды: - грубый помол (индекс I), остаток на сите не более 23 %; - средний помол (индекс П), остаток на сите не более 14 %; - тонкий помол (индекс III), остаток на сите не более 2 %.

Тонкость помола, зависящая от степени измельчения, влияет на водопотребность, сроки схватывания и прочность материала.

ВОДОПОТРЕБНОСТЬ. ДЛЯ гидратации полуводного гипса с образованием двуводного необходимо 18,6 % воды по массе вяжущего. Однако при затворении гипса водой количество последней всегда берется больше. Практически для получения теста стандартной (нормальной густоты) требуется 50-70 % воды. Стандартной консистенции соответствует расплыв лепешки диаметром 180±5 мм по вискозиметру Суттарда. Избыточное количество воды остается в порах затвердевшего материала, которая затем испаряется.

Водопотребность гипса увеличивается с повышением его тонкости помола и уменьшается при введении с водой затворения пластифицирующих добавок, например сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ). Водопотребность необходима для определения важных технических свойств гипса, его сроков схватывания и прочности, которые определяются только на образцах из теста нормальной густоты.

СРОКИ СХВАТЫВАНИЯ. Характеризуются началом и концом схватывания. По срокам схватывания гипсовые вяжущие разделяются на три вида:

- быстротвердеющие (индекс А), от 2 до 15 мин;

- нормальнотвердеющие (индекс Б), от 6 до 30 мин;

- медленнотвердеющие (индекс В), более 20 мин.

Строительный гипс - это быстротвердеющее вяжущее. Сроки схватывания гипса зависят от свойств сырья, технологии изготовления, длительности хранения, водопотребности и др. Повышение температуры способствует ускорению схватывания, а понижение, наоборот, - замедлению. Сроки схватывания можно изменить введением различных добавок, ускоряющих схватывание (NaCl, KCl) или замедляющих этот процесс (органические вещества).

ПРОЧНОСТЬ. Прочность гипса определяют на образцах-балочках размером 4 x 4 x 16 см, изготовленных из теста нормальной густоты. Перед испытанием образцы хранятся в воздушно-сухих условиях при температуре 20±2 °С. Испытание образцов производится через два часа после их изготовления. Образцы испытываются на изгиб, а их половинки - на сжатие. Вяжущие подразделяются на марки Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22 и Г-25. Регламентируется также среднее значение R изг .

Прочность затвердевшего гипса в большой мере зависит от тонкости помола, его водопотребности и условий твердения. Повысить прочность гипса можно добавлением пластифицирующих добавок (СДБ и др.), которые снижают водопотребность. Наиболее распространенной маркой гипсовых вяжущих является марка Г-3.

19. Сформулируйте определение понятия «силикатные материалы». Перечислите основные стадии получения силикатных (автоклавных) материалов. Ответ мотивируйте приведением химических реакций соответствующих процессов

Силикатными называют искусственные каменные материалы и изделия, получаемые в результате формования и последующей тепловлажностной обработки в автоклавах смесей, состоящих из известково-кремнеземистых вяжущих, заполнителей (кварцевого песка, шлака и др.) и воды. Такие композиции, хотя медленно, образуют камень и при твердении на воздухе, но получаемый материал имеет невысокую прочность (1...2 МПа). В этом случае взаимодействие Са(ОН)г извести и SiQ2 песка протекает очень медленно и практически не сказывается на прочности камня. Однако, твердение уплотненной смеси извести с кварцевым песком резко ускоряется, если эту смесь подвергнуть тепловлажностной обработке в автоклаве, где температура насыщенного пара достигает 170°С и более, а давление — 0,8 МПа и выше. В этих условиях SiO2 песка приобретает химическую активность и между ним и известью происходит энергичное химическое взаимодействие с образованием гидросиликатов кальция, цементирующих зерна песка в прочный монолит.

Автоклав – аппарат, закрывающийся герметически, предназначенный для обработки изделий насыщенным водяным паром под давлением выше атмосферного.

Промышленные горизонтальные автоклавы изготавливаются из листовой стали и имеют форму цилиндра диаметром 2,0-2,2 м, длиной 17-24 м. Автоклав закрывается крышками либо с одной стороны (тупиковый), либо с двух сторон (проходной) и рассчитан на рабочее давление 8-16 атм. По окончании загрузки автоклава крышки герметически закрываются и начинается гидротермальная обработка путем подачи водяного пара от котельной.

Процесс автоклавной обработки можно подразделить на три периода.

В течение первого периода производят подъем давления насыщенного водяного пара от атмосферного до заданного. Продолжительность периода 1–4 ч, иногда его подразделяют на два этапа:

1. Подъем температуры с начала пуска пара в автоклав до установления температуры 100 °C;

2. Повышение температуры от 100 °C до максимальной. Первый период характеризуется значительным перепадом температур на поверхности и в центре изделия, иногда достигающим 30-50 °C. Поэтому температуру и давление в этот период следует повышать медленно, быстрое повышение может привести к разрушению изделий под действием термических напряжений.

Второй период называется изотермической выдержкой, в это время в автоклаве поддерживаются требуемые температура и давление водяного пара. Продолжительность второго периода до 9 ч.

В течение третьего периода давление водяного пара в автоклаве постепенно снижается от требуемого до атмосферного (продолжительность 1-5 ч). Третий период, так же как и первый, иногда разделяют на два этапа: от начала выпуска пара до температуры 100 °C и от 100 °C до 18-20 °C. В этот период также возможно разрушение изделий за счет интенсивного парообразования в порах при быстром снижении давления и возникающих при этом термических напряжений.

Перечисленные периоды автоклавной обработки оказывают существенное влияние на фазовый состав и структуру как связки, так и искусственного камня в целом. Режим автоклавной обработки (температура и давление насыщенного водяного пара, продолжительность периодов и обработки в целом) устанавливается опытным путем или расчетом, в зависимости от состава сырьевой смеси, дисперсности компонентов, формы, размеров изделия.

Режим подбирают так, чтобы получить изделия с требуемыми строительно-техническими свойствами при минимальных затратах. Важными технико-экономическими показателями автоклавной технологии являются степень заполнения автоклава изделиями и продолжительность обработки. Продолжительность автоклавной обработки в заводских условиях составляет от 10 до 16 ч при давлении 8 атм (0,8 МПа) и температуре 174 °C.

Автоклавная обработка сырьевых смесей, состоящих из кварцевого песка и извести, изменяет характер процессов твердения и является основной стадией производства силикатных (автоклавных) материалов. При гидротермальной обработке известь взаимодействует с SiO₂ кварца с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция переменного состава:

хCaO · уSiO₂ · zH₂O .

Основность образующихся гидросиликатов (CaO/SiO₂) изменяется в пределах от 0,8 до 1,5 и более.

Целью автоклавной (гидротермальной) обработки является синтез гидросиликатов, которые являются связующим веществом (связывают зерна кварцевого песка и образуют искусственный камень высокой прочности). Технические свойства силикатных изделий определяются основностью и микроструктурой образующихся гидросиликатов кальция. Последние, в свою очередь, изменяются в зависимости от состава сырьевой смеси, дисперсности компонентов и режима автоклавной обработки.

Автоклавная технология позволяет получать изделия полной заводской готовности за 10-15 ч.

Автоклавная обработка широко применяется при производстве следующих видов строительных изделий: силикатного кирпича; изделий из плотных силикатных бетонов – панелей внутренних несущих стен, перекрытий и покрытий; изделий из ячеистых бетонов – крупноразмерных панелей, блоков, а также теплоизоляционных материалов.

КОРОТКО Основные стадии технологического процесса производства силикатных изделий следующие: Известь и песок загружают в заводские бункеры. Исходные компоненты дозируют по весу в соотношении известь : песок = 1:12, интенсивно перемешивают, после чего направляют в установку для получения силикатной смеси, готовой к формовке. В бункере негашеную известь в составе известковопесчаной смеси затворяют водой и в результате химической реакции получают гидроксид кальция. При необходимости полученный состав может быть направлен в смеситель вторичного перемешивания для удаления лишней воды затворения. Сырые изделия, отформованные на автоматическом прессе, складывают в штабели для подачи в автоклав. Свежеотформованные сырые изделия подвергают температурно-влажностной обработке при температуре около 200 °С и избыточном давлении водяного пара. В зависимости от формата изделий этот процесс, заимствованный у природы, продолжается от четырех до восьми часов. В ходе обработки горячим водяным паром при высоком давлении кварцевый песок частично растворяется. Кремниевая кислота вступает в химическую реакцию с раствором гидрата окиси кальция, в результате чего образуется гидросиликат кальция с формулой общего вида CSH. Процесс создания искусственного камня из извести, песка и воды является наиболее ответственным, поскольку именно он обусловливает прочность и жесткость вновь образованной структуры. При этом необходимо отметить, что в результате химических реакций не образуются токсичные вещества После набора прочности и остывания силикатные изделия готовы к применению и не требуют предварительной выдержки на заводе-изготовителе.