3.4. Виды твердения воздушной строительной извести

Различают два вида твердения извести: 1) карбонатное твердение; 2) гидратное твердение; 3) гидросиликатное твердение.

Карбонатное твердение характерно для растворов и бетонов на гашеной извести и заключается в 2-х параллельно протекающих процессах (по времени):

а) испарении воды из раствора и кристаллизация извести. Кристаллы Са(ОН)₂срастаются между собой, образуя кристаллический каркас – "сросток", который является основой прочности камня, цементирующий в единый камневидный конгломерат частицы всех компонентов вяжущего и наполнителей. В этих условиях процесс кристаллизации гидроксида кальция протекает очень медленно, в связи с чем обусловливается невысокий уровень прочности известковых вяжущих в первые месяцы твердения.

б) карбонизации за счет углекислоты из воздуха:

Са(ОН)₂+ СО₂ +nН₂О = СаСО₃+ (n+1) Н₂О.

Определенный вклад в твердение известковых вяжущих вносит также процесс карбонизации гидроксида кальция углекислотой воздуха, протекающий с заметной скоростью только в присутствии влаги. Карбонизация дает дополнительный прирост прочности, так как СаСО₃– малорастворимое в воде вещество. Процесс твердения идет очень медленно, так как структура из кристаллов Са(ОН)₂– малопрочна, а карбонизация недостаточно эффективна из-за малой концентрации углекислого газа в атмосфере. Через месяц твердения на воздухе прочность достигает небольших значений порядка 0,5-1 МПа и только через годы – 5-7 МПа.

В обычных температурных условиях среды твердения химическое взаимодействие извести с кварцевым песком и даже с породами, содержащими активный кремнезем, протекает весьма медленно и практического значения для прочности не имеет.

Гидратноетвердение характерно для молотой негашеной извести. Оно заключается во взаимодействии негашеной извести с водой:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂.

Условия гидратного твердения: а) тонкий помол извести; б) отвод излишнего тепла за счет применения: холодной воды; химических добавок, замедляющих гашение и др.; в) прекращение перемешивания на определенном этапе; г) оптимальное количество воды затворения (в пределах от 100 до 150 %; если воды будет меньше 100 %, то произойдет гашение в пушонку; если больше 150 % – то гашение в тесто). Эти условия позволяют кристаллам Са(ОН)₂быстро срастаться друг с другом с образованием твердеющей структуры. Кроме того, принципиальное отличие этого вида твердения от карбонатного состоит в том, что большое количество воды химически связывается, и это способствует большей плотности и прочности изделий по сравнению с получаемыми на гашеной извести. Карбонизация дополнительно повышает прочность изделий.

При затворении молотой негашеной извести водой вначале образуется насыщенный, а затем пересыщенный (так как растворимость извести с повышением температуры падает) ионами Са2+ раствор. Созданию пересыщения способствует отсасывание воды еще непогасив-шейся внутренней частью зерен извести. При таком быстром и сильном пересыщении раствора образуются значительные количества коллоидного гидроксида кальция. Массы этого гидрата быстро коагулируют в гидрогель, склеивающий зерна вяжущего и наполнителей в единый камневидный конгломерат. По мере отсасывания воды внутренними слоями зерен извести, а также ее испарения гелевидный гидроксид кальция уплотняется, что сопровождается его упрочнением. Кристаллизация гидроксида кальция в этих условиях также способствует дальнейшему росту прочности. Повышает прочность затвердевшего известкового камня (раствора) и последующая карбонизация гидроксида кальция.

Медленное и слабое пересыщение раствора ионами Са²⁺при применении гашеной извести обусловливает образование кристаллов гидроксида кальция, слабо связанных между собой. Образующийся же в этих условиях в незначительных количествах гель гидроксида кальция содержит слишком много воды, в результате его клеящая способность невелика. Поэтому в композициях на основе гашеной извести гидратационное твердение практически не реализуется.

При применении молотой негашеной извести в обычных условиях ее гидратационное твердение осложняется быстрым ходом процесса гидратации, сопровождающимся значительным тепловыделением, а следовательно, и интенсивным парообразованием, что ослабляет и разрушает образующуюся гелекристаллическую структуру. Последнее усугубляется и увеличением объема твердой фазы при переходе оксида кальция в гидроксид, что также разрыхляет формирующуюся структуру. Однако если бы гидратация оксида кальция протекала с образованием не разрушаемой тепловым и объемным эффектами структуры, то, как уже указывалось, гидратационное твердение извести сопровождалось бы образованием плотного, а следовательно, и прочного материала. Достижение таких результатов возможно при условии быстрого и равномерного отвода выделяющейся при твердении теплоты, при использовании жестких форм, не допускающих увеличения объема твердеющей массы, и при введении добавок (гипса, СДБ и др.), замедляющих процесс гидратации извести. Возникающая в этих условиях гидратационного твердения коагуляционная структура не только не разрушается, а даже упрочняется за счет последующей кристаллизации гидроксида кальция. Равномерный обжиг и тонкое измельчение извести улучшают условия ее гидратационного твердения.

Гидросиликатное твердение извести. Твердение за счет химического взаимодействия между известью и песком в условиях обычных температур, протекающего исключительно медленно, практически не происходит. С несколько большей, но также недостаточной для практического использования скоростью в этих условиях взаимодействуют с известью породы, содержащие активный кремнезем (диатомит, трепел, трасс, опока, туф и т. д.), а также тонкомолотый кварцевый песок. Если же известково-песчаные смеси обрабатывать насыщенным водяным паром при температуре выше 100 °С (обычно при 174,5 °С, чему соответствует давление насыщенного водяного пара 0,9 МПа), скорость этого взаимодействия резко возрастает. При этом образуются гидросиликаты кальция, цементирующие известково-песчаную смесь в прочный камневидный материал, характеризующийся высокой долговечностью и другими положительными свойствами в условиях атмосферного воздействия.

К настоящему времени идентифицировано более 20 гидросиликатов кальция, часть которых представлена природными минералами (ксонотлитом, гиллебрандитом, тоберморитом), а другие синтезированы искусственным путем. Все гидросиликаты классифицированы по признакам кристаллической структуры и в соответствии с ними разделены на пять групп.

В условиях гидротермальной (автоклавной) обработки известково-песчаных изделий на разных стадиях процесса твердения могут образовываться различные гидросиликаты кальция, отличающиеся основностью (отношением СаО к SiO₂), содержанием связанной воды и соответственно структурой, морфологией, дисперсностью и физическими свойствами. При обычных режимах автоклавной обработки (при температуре 174,5—203 °С и давлении 0,9—1,3 МПа) вначале образуется гидросиликат кальция C₂SH (А) (-гидрат C₂S), который в процессе изотермической выдержки переходит в CSH (В) [CSH(l)]. Дальнейшее увеличение времени автоклавной обработки приводит к появлению тоберморита (C₄S₅H₅).

Гидротермальное твердение при более высоких температурах или в течение длительного времени сопровождается образованием ксонотлита (C₆S₆H). Конечным продуктом гидротермального синтеза в ячеистых известково-песчаных изделиях, где фазовые превращения протекают быстрее, может быть гиролит (C₄S₆H₅).

В настоящее время преобладает мнение, что при автоклавной обработке известь и кремнезем растворяются в жидкой фазе и взаимодействуют в растворе, из которого выкристаллизовываются гидросиликаты кальция. Каждый гидросиликат образуется и может быть стабильным лишь при определенных концентрациях контактирующего с ним раствора. Изменения состава жидкой фазы обусловливают изменения состава, структуры и свойств гидросиликатов кальция.

Различные по составу (основности) и структуре гидросиликаты кальция значительно различаются по свойствам. Так, по прочности низкоосновные гидросиликаты кальция значительно превосходят высокоосновные, а по морозостойкости существенно им уступают. Поэтому для получения известково-песчаных изделий с заданными свойствами состав сырьевых смесей и режим автоклавного твердения должны максимально соответствовать получению желаемого фазового состава гидратных новообразований.