Химия в
строительстве
доктор технических наук, профессор
Матвеева Лариса Юрьевна
Содержание
Модуль 2. Неорганические строительные материалы.
Лекция 6 Минеральные вяжущие
вещества. Химические процессы при получении
вяжущих веществ. Химические процессы твердения вяжущих
Вопросы:
1. Общая характеристика минеральных вяжущих веществ.
2. Химические процессы при получении вяжущих веществ.
3. Химические процессы твердения вяжущих.
1. Общая характеристика минеральных вяжущих веществ
Физико-химические свойства вяжущих веществ и их классификация
Минеральные, или неорганические, вяжущие вещества – это
неорганические материалы, способные, в виде тонких порошков при смешивании с водой образовывать пластичную тестообразную массу, постепенно затвердевающую с превращением в искусственный камень.
Главные признаки, характерные для вяжущих веществ, это:
1) Относительно невысокая растворимость в воде (как правило, от 0,1 до
3,0 г/л), не позволяющая порошку вяжущего вещества полностью перейти в раствор, и, с другой стороны, достаточная для того, чтобы химические реакции в фазе раствора играли существенную роль в процессе твердения вяжущего теста.
2) Гидрофильность поверхности, т. е. хорошая смачиваемость ее водой, что необходимо для получения однородного теста путем смешивания вяжущего вещества с водой (затворения).
3) Пластичность вяжущего теста (т. е. способность к значительным необратимым деформациям без нарушения непрерывности) и его способность легко формоваться (удобоукладывасмость). Эти качества обусловлены возникновением вследствие активного взаимодействия вяжущего вещества с водой вблизи поверхности твердых частиц тонкого гелеобразного слоя, уменьшающего взаимное трение частиц.
4) Способность самопроизвольно переходить из тестообразного в твердое состояние, связанная, как правило, с возможностью химического взаимодействия с водой (или другими веществами, например СО2 воздуха).
Физико-химические свойства вяжущих
Для ускорения процесса твердения могут применяться такие искусственные воздействия, как тепловлажностная обработка
или введение специальных добавок.
Важнейшим условием эффективного проявления вяжущих свойств является высокая степень измельчения (дисперсности)
материала. Это прежде всего связано с тем, что реакции твердения вяжущих веществ являются многоступенчатыми гетерогенными химическими реакциями, наиболее медленные, или лимитирующие, стадии которых (растворение вяжущего в воде или диффузия воды внутрь вяжущего) протекают на поверхности раздела жидкой и твердой фаз. Следовательно, скорость этих стадий, а следовательно, и скорость всего процесса твердения будут тем выше, чем больше величина поверхности раздела, которая, в свою очередь, находится в прямой зависимости от степени измельчения материала.
Физико-химические свойства вяжущих
C повышением степени измельчения увеличивается доля вещества, прилегающая к поверхности частиц и обладающая повышенным запасом энергии, а следовательно, и повышенной химической активностью, в том числе и в реакциях твердения. Поэтому обязательным условием применения материала в качестве вяжущего вещества является его предварительный размол.
Например, в составе портландцемента обычно 60–80% частиц имеют размеры 1–40 мкм.
По условиям твердения и водостойкости продуктов твердения вяжущие вещества подразделяются на воздушные и
гидравлические.
К воздушным относятся такие вяжущие вещества, тесто на основе которых способно затвердевать только на воздухе. Продукты их твердения недостаточно водостойки и не могут длительное время эксплуатироваться под водой. Из группы воздушных вяжущих наибольшее применение находят воздушная известь, гипсовые вяжущие, а также магнезиальный и щелочно-
силикатный (кислотоупорный) цементы.
К гидравлическим относятся вяжущие вещества, способные, после замешивания с водой и начального затвердевания («схватывания») на воздухе, окончательно затвердевать как на воздухе, так и под водой с образованием водостойких продуктов твердения. Среди гидравлических вяжущих наиболее широко применяются
портландский цемент (или портландцемент), а также смешанные цементы на его основе и глиноземистый цемент.
2. Химические процессы при получении вяжущих 
веществ
Поскольку вяжущие вещества самопроизвольно реагируют
сводой, в природе они практически не встречаются.
Исключением является ангидритовый цемент (СаSO4), встречающийся в природе в виде минерала ангидрита. Все остальные минеральные вяжущие вещества готовят искусственно путем термической обработки исходных минералов и горных пород или их смесей. При этом происходит разрушение кристаллических решеток инертных минералов и образуются новые минералы, обладающие большей внутренней энергией и способные самопроизвольно и экзотермически реагировать с водой.
Как правило, к такому результату приводят химические реакции дегидратации (удаления Н2О), декарбонизации (удаления СО2) и десульфуризации (удаление SO2), а также реакции образования силикатов и алюминатов щелочных и щелочноземельных металлов.
Механизмы химических реакций, сопровождающих получение вяжущих
По своему механизму большинство химических реакций, сопровождающих получение вяжущих веществ путем термообработки сырья, может быть отнесено к одному из трех типов:
1. Реакции разложения твердых веществ с удалением летучих продуктов. Сюда относятся в основном эндотермические реакции дегидратации, декарбонизации и десульфуризации, осуществляющиеся при температурах от 100- 120 °С (гипс) до 1000–1200 °С (известь, портландский и глиноземистые цементы). Это особый тип гетерогенных реакций, связанный с образованием продуктов реакции внутри относительно однородного твердого материала и поэтому не требующий обязательного тонкого измельчения исходных горных пород.
2. Гетерогенные реакции твердого вещества с жидкой фазой (обычно расплавом) или двух твердых веществ между собой в присутствии расплава. К этому типу относятся реакции образования силикатов и алюминатов, протекающие при производстве щелочносиликатных вяжущих веществ и глиноземистого цемента, а также, частично, портландцемента. Они, как правило, являются экзотермическими, хотя в отдельных случаях могут быть и эндотермическими. Для быстрого растворения или химического взаимодействия твердых частиц с жидкой средой желательна их высокая степень дисперсности, однако тонкое измельчение исходных веществ, по экономическим соображениям, могут и не производить.
Механизмы химических реакций, сопровождающих получение вяжущих
3. Гетерогенные реакции между частицами твердых веществ в отсутствие жидкой фазы. Сюда относятся большинство реакций образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция, протекающих при производстве портландцемента. Как правило, большинство таких реакций в той или иной степени экзотермичны, но из-за чрезвычайно медленной диффузии атомов и ионов в твердых телах их протекание с достаточной скоростью возможно только при высоких температурах, порядка 1000 °С и выше.
Для осуществления таких реакций абсолютно необходимо предварительное тонкое измельчение исходного сырья, обеспечивающее максимальную суммарную поверхность соприкосновения частиц реагирующих веществ.
Механизмы химических реакций, сопровождающих получение вяжущих
Повышение температуры активизирует протекание реакций получения вяжущих веществ за счет повышения их скорости, а в случае реакций первого типа – также за счет смещения равновесия в сторону прямой реакции.
В то же время, чрезмерное повышение температуры недопустимо, так как это приводит либо к расплавлению всей реакционной массы или ее значительной части, что в последующем может значительно затруднить размол продукта реакции, либо к образованию продукта в крупнокристаллической, малоактивной, слишком медленно реагирующей с водой в процессе твердения или дальнейшей переработки.