Гипсовые вяжущие вещества – это воздушные вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса или ангидрита и получаемые тепловой обработкой сырья и помолом.

Строительный гипс получается в результате нагревания природного камня, состоящего в основном из двуводного сернокислого кальция CaSO4∙2H2O и последующего помола его в порошок. Применение же указанного гипса в строительстве основано на том, что при затворении его водой он способен в короткий срок превращаться в камневидное тело. Используют и ангидрит CaSO₄. Природный ангидрит – горная порода осадочного происхождения.

Для получения строительного гипса гипсовую породу (Гипсовый камень) подвергают термической обработке в печах или варочных котлах при температуре 110-180 ⁰С, а затем размалывают. Часто гипсовый камень сначала размалывают, а затем в виде порошка нагревают в котлах. Иногда помол и обжиг совмещают в одном аппарате. При дегидратации двуводный сульфат кальция превращается в полуводный:

CaSO4∙2H2O→CaSO4∙0,5H₂O+1,5H₂O.

Прочность при сжатии строительного гипса по изготовлении должна быть не менее 45 или 35 кгс/см² в зависимости от марки гипса. В сухом состоянии образцы из строительного гипса при сжатии могут достигать 10-18 МПа (100-180 кгс/см²). Высокопрочный гипс показывает до 40-50 МПа (400-500 кгс/см²).

Строительный гипс применяют для производства гипсовых и гипсобетонных изделий, предназначенных для службы в сухих условиях и для штукатурок внутренних помещений.

Гидравлические вяжущие вещества

Портландцемен – это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Клинкер (название происходит от слова klinker – орешек) получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины. Свойства портландцемента определяются прежде всего качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для их регулирования.

Портландцемент и его разновидности – основной строительный материал в современном строительстве. Из него возводят бетонные и железобетонные конструкции самых разнообразных зданий и сооружений.

Для производства портландцемента имеются неограниченные сырьевые ресурсы в виде побочных продуктов промышленности (шлаков, зол, шламов) и распространенных карбонатных и глинистых пород.

Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (процент по массе). Главными являются: CaO – 63-65 %, SiO₂ – 21-24 %, Al₂O₃ – 4-8 %, Fe₂O₃ – 2-4 %, суммарное количество которых составляет 95-97 %. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить оксиды магния, кремния, натрия, калия, титана, хрома и фосфора.

Минеральный состав клинкера

Алит 3CaO∙SiO₂ (или C₃S) – самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере 45-60 %.

Белит 2CaO∙SiO₂ (или C₂S) – второй по важности и содержанию (20-30 %) силикатный материал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента.

Трехкальциевый алюминат 3CaO∙Al₂O₃ (или С₃А) – в клинкере содержится в количестве 4-12 % – самый активный клинкерный минерал, быстро взаимодействует с водой. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание C₃А ограничено 5 %.

Четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 (или C₄AF) – в клинкере содержится в количестве 10-20 %. Характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между C₃S и C₂S.

Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в количестве 5-15 %, оно состоит в основном из CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, Na₂O.

Щелочи (Na₂O, K₂O) входят в алюмоферритную фазу клинкера, а также присутствует в цементе в виде сульфатов. Содержание щелочи в портландцементе ограничивается до 0,6 % в случае применения заполнителя (песка, гравия), содержащего реакционно-способные опаловидные модификации двуоксида кремния, из-за опасности растрескивания бетона в конструкции.

Процесс превращения теста в камень является результатом внутренних изменений в системе «вяжущее – вода», заключающийся в преобразовании исходных веществ в конгломерат новых минералов, из которых слагается цементный камень.

Твердение портландцемента

1) Алит разлагается на гидрооксид кальция и гидросиликат кальция:

3CaO∙SiO₂ + nH₂O = Са(ОН)₂ + 2CaO∙SiO₂∙ nH₂O.

2) Белит, гидратируясь, превращается в гидросиликат кальция:

2CaO∙SiO₂ + nH₂O = 2CaO∙SiO2∙nH2O.

3) Трехкальциевый алюминат тоже превращается в гидроалюминат кальция:

3CaO∙Al₂O₃ + nH₂O = 3CaO∙Al₂O₃∙ nH₂O.

4) Четырехкальциевый алюмоферрит распадается на два минерала: трехкальциевый гидроалюминат и однокальциевый гидроферрит:

4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 + nH₂O = 3CaO∙Al₂O₃ ∙nH₂O + CaO∙ Fe₂O₃∙ nH₂O.

5) Затем (во вторую очередь) трехкальциевый гидроалюминат в воде, насыщенной ангидритом сернокислого кальция (гипса), будет превращаться в труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит).

3CaO∙Al₂O₃∙nH₂O + 3CaSO₄+ nH₂O = 3CaO∙Al₂O₃ ∙3CaSO₄ ∙nH₂O.

6) Однокальциевый гидроферрит в воде, насыщенной гидрооксидом кальция, присоединяет к себе гидрооксид кальция:

CaO∙ Fe₂O₃∙ nH₂O + Са(ОН)₂ + nH₂O = 3 CaO∙ Fe₂O₃ ∙nH₂O.