3. Неорганические вяжущие вещества

Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов.

Переходя и тестообразного в камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни либо зерна песка, гравия, щебня.

Это свойство вяжущих используют для изготовления: бетонов, силикатного кирпича, асбоцементных и других необожженных искусственных материалов; строительных растворов – кладочных, штукатурных, специальных.

Неорганические вяжущие вещества делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительное время сохранять прочность только на воздухе.

По химическому составу они делятся на четыре группы:

- гипсовые вяжущие, основой которых является сернокислый кальций;

- магнезиальное вяжущее, содержащие каустический магнезит MgO;

- жидкое стекло – силикат натрия или калия (в виде водного раствора);

- известковые вяжущие, состоящие главным образом из оксида кальция СаО.

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде.

По своему химическому составу гидравлические вяжущие вещества представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех видов: СаО-SiO₂-Аl₂О₃-Fе₂О₃.

Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих:

- силикатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силикатов кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности – главные вяжущие современного строительства;

- алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности;

- гидравлическая известь и романцемент.

В отдельную группу выделяют вяжущие автоклавного твердения – это вещества, способные при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образованием плотного, прочного камня.

В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент и др., хотя по существу они тоже относятся к гидравлическим вяжущим.

3.1. Воздушные вяжущие вещества

3.1.1. Гипсовые вяжущие вещества

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

Сырье для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит горная порода гипс, состоящая преимущественно из минерала гипса CaSO₄-2H₂O. Используют и ангидрит CaSO₄, отходы промышленности (фосфогипс – от переработки природных фосфатов в суперфосфат, борогипс и др.).

Гипсовые вяжущие вещества подразделяются в зависимости от температуры тепловой обработки на две группы:

1) Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой природного гипса при низких температурах (110-180°С).

Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидратация сырья при указанных температурах приводит к превращению двуводного гипса в полугидрат:

CaSO₄*2H₂O = CaSO₄*0,5H₂O+l,5H₂O.

К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относятся: строительный, формовочный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом гипсовой породы (гипсового камня) в варочных котлах или печах.

В первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом в виде порошка нагревают в котлах. Имеются промышленные установки, в которых совмещены помол и обжиг. При обжиге в незамкнутом пространстве вода выделяется и удаляется в виде пара.

Строительный гипс состоит в основном из кристаллов β-модификации CaSO₄*0,5H₂O, содержит также некоторое количество ангидрида (CaSO₄) и частицы неразложившегося сырья CaSO*2Н₂О.

Высокопрочный гипс получают термической обработкой высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением пара. Он состоит в основном из α-модификации полуводного сульфата кальция, более активной, чем β-модификации. Поэтому прочность высокопрочного гипса при сжатии 15-25 МПа, а при специальной технологии производства – до 60 МПа превышает прочность строительного гипса. Из него изготавливают элементы стен и сборных перегородок, камни для стен.

Формовочный гипс состоит в основном из модификации полугидрата. Он содержит незначительное количество примесей и тонко размалывается. Применяют в керамической и фосфорофаянсовой промышленности для изготовления форм.

2) Высокообжиговые гипсовые вяжущие вещества изготовляют путем обжига гипсового камня при высоких температурах 600-900°С, поэтому они состоят преимущественно из ангидрита CaSO₄, который частично подвергается термической диссоциации с образованием СаО. Небольшое количество оксида кальция в составе вяжущего играет роль активизатора вяжущего с водой. Можно получить ангидритовое вяжущее и без обжига помолом природного ангидрита с активизаторами твердения (известью, обоженным доломитом и т.п.).

Высокообжиговый гипс в отличие от строительного гипса медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность при сжатии выше – 10-20 МПа. Поэтому его применяют при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления "искусственного мрамора".

По срокам схватывания гипсовые вяжущие делят на три группы: А – быстросхватывающиеся (2-15 мин), Б – нормально схватывающиеся (6-30 мин) и В – медленно схватывающиеся (начало схватывания не ранее 20 мин). Прочность при сжатии составляет 10-12 МПа.

Для гипсовых вяжущих стандартом установлено 12 марок по пределу прочности при сжатии (МПа): Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25. При этом минимальный предел прочности при изгибе для каждой марки должен соответствовать значению соответственно от 1,2 до 8 МПа.

Твердение и применение гипсовых вяжущих веществ

При твердении строительного гипса происходит химическая реакция присоединения воды и образования двуводного сульфата кальция:

CaS0₄*0,5H₂0 + 1,5Н₂0 = CaSO₄*2H₂O.

При гидратации 1 кг полугидрата выделяется 133 кДж тепла.

Поскольку растворимость полугидрата в воде 8 г/л (считая на CaSO₄), а двугидрата – 2 г/л, то вскоре после затворения строительного гипса водой создаются условия для образования в пересыщенном растворе зародышей кристаллов двугидрата.

Схватывание (загустевание) гипсового теста начинается с образования рыхлой пространственной коагуляционной структуры, в которой кристаллики двугидрата связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами молекулярного сцепления.

После схватывания происходит твердение, обусловленное ростом кристаллов новой фазы, их срастанием и образованием кристаллизационной структуры.

Свежеизготовленные гипсовые изделия сушат (при температуре 60-70°С), что повышает прочность контактов срастания кристаллов и самих изделий вследствие удаления пленочной воды. Можно обойтись и без сушки, если уменьшить количество воды затворения за счет введения в гипсовые растворы и бетоны пластифицирующих добавок и применения интенсивного уплотнения.

Гипсовые вяжущие применяют для изготовления гипсовых деталей и гипсобетонных изделий – перегородочных панелей, сухой штукатурки и т.п., а также для приготовления штукатурных растворов (внутренней штукатурки).

В процессе твердения гипсовый раствор немного увеличиваете объеме (до 1%), что благоприятствует изготовлению архитектурных деталей способом литья.