1.3. Фізико-хімічні основи гасіння вапна

Обпалене вапно називається грудковим або вапном-кип'ячкою. Вона є лише напівпродуктом Для застосування в будівництві вапно піддають гасінню, переводячи його в гідратне вапно, або подрібненню - для одержання негашеного меленого вапна.

Гасінням вапна називається процес взаємодії його з водою, при якому воно перетворюється в гідрат.

СаО, як уже зазначалося, кристалізується в кубічній сингонії. Відомі дві модифікації СаО: α і β. α-СаО виникає в результаті декарбонізації СаСО₃, β-СаО — у результаті дегідратації Са(ОН)₂ при низьких температурах. СаО більш реакційно здатна, але при температурах вище 400^оС він переходить в α-СаО. У природі СаО в чистому вигляді майже не зустрічається завдяки своїй великій схильності до швидкої гідратації.

Відповідно до сучасних поглядів взаємодія вапна з водою відбувається за наступною схемою:

СаО + 2Н₂О ↔Са·2Н₂О

СаО + 2Н₂О ↔Са·(ОН)+Н₂О+15,5 ккал.

СаО·2Н₂О, що утворюється, метастабільний і швидко переходить у Са(ОН)₂, що називається портландитом. Портландит зустрічається в природі дуже рідко, кристалізується в гексагональній сингонії, твердість дорівнює 2, має зроблену спайність в одному напрямку. Щільність його 2,23 г/см³.

У системі СаО–Н₂О, крім метастабільного СаО·2Н₂О, який можна зберегти в стійкому стані, якщо заморозити суміш, що реагує, існує ще два кристалогідрати. Са(ОН)₂·0,5Н₂О одержують при випаровуванні води з пересичених розчинів вапна, при нагріванні вище 70°С, воно перетворюється в аморфний гідроксид.

Са(ОН)₂·(4-6)Н₂О одержують при звичайній температурі й тиску 280 МПа.

При переході СаО в Са(ОН)₂ щільність зменшується. Тому при гасінні вапно розсипається в порошок. Завдяки значному тепловиділенню (277 ккал/кг) відбувається інтенсивний розігрів маси, що супроводжується паротворенням. Спочатку Са(ОН)₂ виділяється в колоїдному стані, що зберігається тривалий час. У зв'язку з тим, що кристаліти Са(ОН)₂ симетрично заряджені двома диполями з перехресними осями, відбувається взаємне притягання різнойменно заряджених ділянок, що приводить до утворення пластівців (рис. 1.5).

При гасінні вапна більшою кількістю води утвориться водна суспензія з колоїдними властивостями. Така суспензія містить позитивно заряджені частки, що являють собою кристаліти Са(ОН)₂, оточені молекулами води. Реакція гасіння вапна є оборотною. При температурі 547^оС пружність пари при дисоціації Са(ОН)₂ (на СаО й Н₂О) дорівнює 0,1 МПа. Однак розкладання починається при більше низькій температурі. Залежність пружності парів води від температури наведена в табл. 1.3.

Рис. 1.5. Схема взаємного притягання окремих кристалітів Са(ОН)₂.

Таблиця 1.3

Пружність парів води при дисоціації Са(ОН)₂

у залежності від температури

Температура, оС	Пружність парів води, мм. рт. ст.	Температура, оС	Пружність парів води, мм. рт. ст.
369	9,2	468	149
389	17,4	488	234
408	31,5	507	355
428	55,0	527	526
448	92,0	547	760

У початковий період гасіння вода стикається з зернами вапна й інтенсивно взаємодіє з поверхневим шаром. На зернах утвориться плівка із Са(ОН)₂, що перешкоджає проникненню води до внутріш-ніх шарів вапна, і процес гідратації поступово вповільнюється. Підвищення температури впливає на процес гасіння подвійно. З одного боку, при підвищенні температури знижується розчинність Са(ОН)₂ і на зернах вапна, що ще не прореагувало, утворяться більш товсті плівки Са(ОН)₂, з іншого боку - процес дифузії води через ці плівки до вапна різко прискорюється. У результаті при підвищенні температури на 10^оС подвоюється швидкість гасіння.

Залежність розчинності Са(ОН)₂ від температури наведена в табл. 1.4. Розчинність Са(ОН)₂ підвищується зі зменшенням розміру часток.

Таблиця 1.4

Розчинність Са(ОН)₂ в чистій воді при різноманітних температурах

Температура, оС	Концентрація насиченого розчину СаО, г на 1000 г води	Температура, оС	Концентрація насиченого розчину СаО, г на 1000 г води
0	1,300	90	0,591
15	1,250	99	0,523
18	1,200	150	0,247
25	1,130	190	0,084
40	1,000	200	0,050
50	0,917	250	0,037
60,8	0,818	-	-

Формула, що поєднує розчинність (С_DT) кристалів розміром D (мкм) з розчинністю нескінченно більших кристалів Са(ОН)₂ (C_∞,Т), має вигляд:

За допомогою цієї формули можна підрахувати, що розчинність кристалів розміром 10 мкм буде в 1,003 рази більше розчинності нескінченно більших кристалів, розміром 1 мкм - в 1,032 рази, розміром 0,1 мкм - в 1,368 рази, розміром 0,01 мкм - у 13,68 рази.

Швидкість розчинення Са(ОН)₂ невелика. Рівноважна концентрація встановлюється при нормальній температурі лише через одну або дві доби.

Добуток розчинності Са(ОН)₂ при температурі 18°С дорівнює 5,47 10^-6. На розчинність Са(ОН)₂ дуже впливають різні речовини. При введенні лугів (NаОН або КOН) різко знижується розчинність.

Це пояснюється тим, що при введенні в розчин іонів OH^- знижується концентрація іонів Са⁺², тому що добуток розчинності повинен залишатися постійним. За аналогією (дія однойменних іонів) знижується розчинність Са(ОН)₂ і при введенні гіпсу.

Підвищується розчинність Са(ОН)₂ у розчині цукру, що пов'язане з утворенням добре розчинного сахарату кальцію. Так, у 10% розчині цукру при 15°С розчинність підвищується в 16 разів, при 30°С — у 7 разів.

Після введення NaCl, КСl, СаCl₂ до певної концентрації підвищується розчинність Са(ОН)₂, що пов'язане з утворенням більш розчинних оксихлоридів кальцію. Розчинність Са(ОН)₂ у присутності деяких електролітів наведена в табл. 1.5.

Таблиця 1.5

Розчинність Са(ОН)₂ в присутності електролітів

Концентрація, г/л
NaOH	CaO	KOH	CaO	CaSO4	CaO	NaCl	CaO	KCl	CaO
0,4	0,96	0,4	1,05	0,706	1,168	30	1,810	30	1,700
1,6	0,49	1,6	0,73	0,951	1,102	60	1,910	60	1,725
2,5	0,516	2,5	0,57	1,773	0,745	120	1,860	120	1,720
5,0	0,281	5,0	0,34	1,811	0,513	240	1,340	240	1,250
8,0	0,09	8,0	0,22	1,852	0,241	Н.р.	1,002	Н.р.	1,210
20,0	0,02	20,0	0,11	2,07	0,000	-	-	-	-

Примітка: Н.р. – необмежено розчинне.

На процес гасіння дуже впливають різні добавки. Установлено, що електроліти, які збільшують розчинність вапна або дають при взаємодії з ним більш розчинні речовини, роблять прискорювальну дію на процес гасіння. До таких добавок відносяться різні хлориди, нітрати (NaCl, CaCl₂, МgCl₂, ВаCl₂, НNО₃, Са(NО₃)₂ й ін.). Добавки, які при взаємодії з вапном дають важкорозчинні речовини, що виділяються на частках вапна у вигляді плівок, важкопроникних для води, сповільнюють гасіння. До таких добавок відносяться солі сірчаних, фосфорних, щавлевої кислот, а також деякі інші солі з багатозарядними аніонами (K₂SО₄, К₂СгО₄, СаSО₄·2Н₂O).

Сповільнювачами гасіння вапна є також поверхнево-активні добавки. Їхня гальмуюча дія пояснюється тим, що на поверхні зерен утворюється мономолекулярний орієнтований шар.

Крім того, поверхнево-активні речовини здійснюють модифікуючу дію на нову фазу, перешкоджаючи росту й перекристалізації кристалів. Прискорювальну дію на процес гасіння здійснює також механічний вплив - перемішування, вібрирування. Це пояснюється тим, що при цих процесах з часток, що не прореагували, здирається оболонка Са(ОН)₂.

Як показує практика, вапно, що тривалий час зберігалося на складі, гаситься дуже повільно. Це пояснюється тим, що при тривалому лежанні починається мимовільне гасіння його за рахунок вологи повітря, а потім карбонізація гідратованого шару, що стає мало проникним для води.

Теоретично для гасіння вапна необхідно 32,13% води від ваги СаО. На практиці для гасіння вапна використовується значно більше води, тому що частина її випаровується. Залежно від того, скільки води витрачено для гасіння, одержують три різних кінцевих продукти. Якщо кількість води становить близько 70% від ваги вапна, одержують гашене вапно, або гідратне вапно. Гідратне вапно являє собою тонкий порошок, розмір зерен якого приблизно 0,01 мм і менше.

Якщо води для гасіння беруть 200-250%, то одержують пластичне вапняне тісто. У вапняному тісті міститься приблизно 50% води. Якщо ж витрачають ще більше води, одержують вапняне молоко.

На процес гасіння вапна сильно впливають домішки. Силікати й алюмінати, що утворилися в процесі випалу, при гасінні поступово гідратуються. Але у зв'язку з тим, що гідратація відбувається ще до застосування вапна, вони не надають готовому продукту водостійкості. Частина ошлакованих кусків, так звана перевитрата, а також не розкладений СаСО₃ - недопал, не гасяться й залишаються у вигляді баласту. MgО, особливо якщо вапно обпалювалось при високих температурах, гаситься значно повільніше, ніж СаО. Гаситься він в окремих випадках уже в будівельному розчині, викликаючи порушення його цілісності.

Пухке, м'якообпалене вапно, що містить мало домішок, гаситься швидше й дає жирне високопластичне тісто. Щільне вапно з більшою кількістю домішок гаситься повільно й дає худе мало-пластичне тісто.