9. Неорганические вяжущие вещества

9.1. Общие сведения

Вяжущими называются вещества, предназначенные для связывания в единый монолит зернистых материалов (в строительных растворах, бетонах и т.п.) и штучных изделий (при каменной кладке).

Вяжущие вещества по своему составу разделяются на две большие группы – неорганические и органические.

Неорганическими вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, способные при затворении водой или водными растворами солей создавать пластично-вязкую массу, затвердевающую со временем и образующую прочное камневидное тело (это известь, цемент, строительный гипс, жидкое стекло и др.).

Органическими вяжущими веществами называются природные или искусственные материалы, состоящие преимущественно из высокомолекулярных органических соединений, которые приводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях (это битумы, дегти, животный клей, полимеры).

В строительстве в основном используют неорганические вяжущие.

По условиям твердения неорганические вяжущие вещества делят на три основные группы: воздушные вяжущие, гидравлические вяжущие и вяжущие автоклавного твердения.

1). Воздушные вяжущие характеризуются тем, что после смешения их с водой, они затвердевают и длительное время сохраняют свою прочность только на воздухе. Во влажных условиях эти вяжущие обладают высокой растворимостью. При этом они частично или полностью теряют свою прочность. Поэтому их применяют для конструкций и изделий, которые в процессе эксплуатации будут находится в воздушно-сухих условиях.

По химическому составу воздушные вяжущие вещества делятся на четыре группы:

1 – известковые вяжущие, состоящие главным образом из CaO;

2 – магнезиальные вяжущие, содержащие MgO;

3 – гипсовые вяжущие, содержащие сульфат кальция CaSO₄ ;

4 – жидкое стекло (силикат натрия или калия в виде водного раствора) и получаемый на его основе кислотоупорный цемент.

Воздушные вяжущие вещества широко используются для изготовления строительного раствора, разнообразных изделий, реже – для производства бетона. В гидротехнических сооружениях такие вяжущие применяются в ограниченном количестве (строительная известь – для кладочных надводных растворов, жидкое стекло и глина – для закрепления грунтов и повышения их водонепроницаемости).

2). Гидравлические вяжущие твердеют, и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу такие вяжущие представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех оксидов: CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих:

1 – силикатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силикатов кальция. Это портландцемент и его разновидности;

2 – алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты кальция. Это глинозёмистый цемент и его разновидности;

3 – гидравлическая известь и романцемент.

Способностью к гидравлическому твердению (т.е. твердению не только на воздухе, но и в воде) обладают получаемые искусственно тонко измельченные вещества, в состав которых входят соединения, состоящие из CaO c кремнеземом SiO₂, глиноземом Al₂O₃ и оксидом железа Fе₂O₃.

Важнейшими соединениями, которые придают вяжущим веществам гидравлические свойства, являются: nCaOSiO₂  силикаты кальция; nCaOAl₂O₃  алюминаты кальция; nCaOAl₂O₃Fе₂O₃  алюмоферриты кальция.

Существует два основных способа получения гидравлических вяжущих: 1  обжиг горных пород или специальных подготовленных смесей (так изготовляют гидравлическую известь, портландцемент, глинозёмистый цемент и др.); 2  смешение извести или цемента с активными минеральными добавками (шлаковые, известково-пуццолановые цементы и др.).

Химико-минеральный состав вяжущих веществ системы CaO - SiO₂ - Al₂O₃ - Fе₂O₃ зависит от гидравлического модуля m и температуры обжига сырья.

Гидравлический модуль m выражает содержание щелочного оксида CaO по отношению к суммарному количеству кислотных оксидов,

m = %CaO / %(SiO₂ + Al₂O₃ +F₂O₃).

Для каждого вяжущего характерен свой гидравлический модуль: воздушная известь m > 9; гидравлическая известь m = 1,7…9; романцемент m < 1,7; портландцемент m = 1,9…2,4 , но его показатели прочности во много раз превосходят романцемент и известь, благодаря более высокой температуре обжига (1450С против 1000С), приводящей к спеканию сырья и образованию нового минерала - алита.

Гидравлические вяжущие широко применяются для изготовления строительных растворов, бетонов и железобетонов для всех видов строительства, в том числе гидротехнического.

3). Вяжущие автоклавного твердения - это вещества, твердение которых происходит в специальных аппаратах - автоклавах при повышенной температуре (170-200⁰C) и давлении насыщенного водяного пара 0,9-1,2 МПа. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент и др.

Вяжущие автоклавного твердения применяются для изготовления теплоизоляционных и конструкционных элементов (газосиликат, пеносиликат, силикатные бетоны, силикатный кирпич и др.). В гидротехническом строительстве автоклавные материалы могут применяться в надводных конструкциях, однако пониженные водо- и морозостойкость ограничивают их широкое использование.