ТЕМА 20: Минеральные вяжущие

 

Вяжущими материалами называются порошкообразные вещества, которые при затворении водой приобретают пластичные свойства, образуя постепенно твердеющее тесто, способное связывать отдельные куски или массу твердых пород в монолит.

Вяжущие материалы подразделяются на воздушные (при смешении с водой они затвердевают и длительное время сохраняют прочность только на воздухе) и гидравлические (могут затвердевать на воздухе и в воде). Поэтому воздушные вяжущие применяются в надземных сооружениях, а гидравлические – как в надземных, так и в подземных гидротехнических сооружениях.

Сырьем для производства вяжущих материалов служат природные горные породы: известково‒глинистые (мергели), магнезиальные, карбонаты, кремнеземистые, гипс и другие, а также отходы некоторых производств: доменные шлаки, золы, фосфогипс и др.

 

Гипсовые   вяжущие материалы

сырьем для производства является природный двуводный гипс СаSO₄∙2Н₂О, природный ангидрит СаSO₄ и отход производства фосфорной кислоты – фосфогипс.

Получение строительного гипса основано на химической реакции

 

                                170‒180°

СаSО₄∙2Н₂О → СаSО₄∙0,5Н₂О + 1,5 Н₂О

 

При твердении протекает реакция

 

СаSО₄∙0,5Н₂О + 1,5 Н₂О → СаSО₄∙2Н₂О

 

При t = 600‒700°С образуется обожженный гипс, ангидритовый цемент.

При 800‒1000°С получают высокообожженный гипс – эстрихгипс, который твердеет при затворении водой без катализатора, так как в нем присутствует примесь СаО, образовавшаяся в результате частичного разложения СаSО₄.

В строительной технике гипсовые вяжущие широко применяются для изготовления блоков, панелей, перегородок, гипсобетона, сухой штукатурки, легковесных теплоизоляционных изделий. Заполнителями служат известь, шлак, пемза, мел, опилки и т.д. Все строительные изделия из гипса неводостойки и поэтому их применяют во внутренних элементах сооружений. Водостойкость повышают органические и минеральные добавки, а также водоотталкивающие обмазки.

  Воздушная известь.

Воздушную известь получают путем обжига известняков, мела, доломитовых известняков, содержащих не более 8% примесей

 

                                     900‒1000°С

СаСО₃ → СаО + СО₂

 

Негашеную известь (СаО) – кипелку ‒ измельчают. При действии воды образуется известь гашеная СаО + Н₂О → Са(ОН)₂. Реакция сопровождается выделением тепла.

Известковое тесто, смешанное с песком, измельченным шлаком и т.п. применяют в виде строительных растворов при кладке стен и для штукатурки.

Известковый раствор на воздухе постепенно отвердевает под влиянием двух одновременно действующих факторов: удаления свободной воды и действия СО₂. Удаление воды приводит к выделению и кристаллизации Са(ОН)₂. В результате действия СО₂ образуется карбонат кальция Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ + Н₂О. Кристаллы срастаются между собой и с зернами наполнителя, образуя искусственный камень. Твердение воздушных известковых растворов протекает медленно и связано с протеканием реакции Са(ОН)₂ + SіО₂ → СаО∙SіО₂∙Н₂О, компоненты которой находятся в твердой фазе. Для ускорения этого процесса к извести добавляют цемент, гидравлические добавки или гипс.

 

Гидравлическая известь.

Гидравлическая известь, в отличие от воздушной, начав твердеть на воздухе, может продолжать твердение в воде. Способность гидравлической извести сохранять и увеличивать прочность в воде объясняется наличием в ее составе, кроме свободной СаО, силикатов, алюминатов и ферритов кальция, которые образуются при обжиге за счет реакций между глиной и известняком. Эти реакции, если глинистых примесей 6‒20%, приводят к получению извести с гидравлическими свойствами. Гидравлическая известь оценивается по основному (гидравлическому) модулю m = .

Для слабогидравлической извести он равен 4,5 – 9,0, сильногидравлической – 1,7 – 4,5, романцемента – 1,7.

Портландский цемент.

Наибольшее значение как вяжущий материал в строительстве имеет портландцемент – продукт помола клинкера, полученного обжигом до спекания смесей из известняков и глин, встречающихся в природе (мергели) или искусственно составленных. При помоле к клинкеру добавляется гипс (до 2%) для замедления схватывания и гидравлические добавки (до 15%), увеличивающие стойкость портландцемента к разрушающему действию природных вод. Химический состав портландцемента следующий: СаО – 62‒67%, SiО₂ – 20‒24%, Al₂О₃ – 4‒7%, Fe₂О₃ – 2,5%, MgO, SO₃ и прочих 1,5‒3%. Состав портландцемента выражают при помощи модулей основного, или гидравлического – Г, силикатного – n и глиноземистого – Р, соответственно определяемых:

Г =  = 1,9 2,4;

n = ;

 

Р = .

Оксиды связаны в клинкере в следующие минералы

 

    3СаО∙SiO₂ (C₃S) – алит, 37 ‒ 60%;

    2СаО∙SiO₂ (C₂S) – белит, 15 ‒ 37%;

    3CaO∙Al₂О₃ (С₃А) – трехкальциевый алюминат, 7 ‒ 15%

    4CaO∙Al₂О₃∙Fe₂О₃ (C₄AF) – четырехкальциевый алюмоферрит, 10 ‒ 18%

эти соединения реагируют при затворении цемента водой и дают различные гидраты, выделяющиеся в виде студней‒гелей; они образуют пластичное тесто, которое затем схватывается и упрочняется в цементый камень:

3СаО∙SiO₂ + (n+1)H₂O → 2 СаО∙SiO₂· nH₂O + Ca(OH)₂

2СаО∙SiO₂ + n H₂O → 2 СаО∙SiO₂ ·nH₂O

3CaO∙Al₂О₃ + 6 H₂O → 3CaO∙Al₂О₃∙6 H₂O

4CaO∙Al₂О₃∙Fe₂О₃ + (m + 6)H₂O → 3CaO∙Al₂О₃∙6H₂O + CaO∙Fe₂О₃∙mH₂O→

Ca(OH)₂

→ 3(4)CaO∙Fe₂О₃∙xH₂O.

  Глиноземистый цемент.

Глиноземистый цемент представляет собой продукт тонкого помола обожженной до плавления или до спекания сырьевой смеси, состоящей из боксита и известняка. Химический состав глиноземистого цемента следующий: около 40% СаО, около 40% Al₂О₃, остальное – примеси Fe₂О₃ (нежелательные) и др. оксиды СаО и Al₂О₃ находятся в глиноземистом цементе главным образом в виде минерала – однокальциевого алюмината СаО∙Al₂О₃. глиноземистый цемент быстро твердеет

2(СаО∙Al₂О₃) + 11Н₂О → 2 Al(ОН)₃ + 2СаО∙Al₂О₃∙8Н₂О.

Уже на третий день твердения прочность его приближается к максимальной. Сооружения из глиноземистого цемента стойки к сульфатной коррозии, но не стойки в щелочных средах, в которых идет разрушение камня в результате взаимодействия Al₂О₃ и Al(ОН)₃ со щелочами.

 Магнезиальные цементы.

Активным началом магнезиальных цементов является оксид магния. Сырьем служат природный магнезит MgСО₃ и доломит СаСО₃∙MgСО₃. В соответствии с этим различают два вида магнезиальных цементов – каустический магнезит, получаемый обжигом до полного удаления СО₂ при 800‒1000° С, и каустический доломит. В отличие от других вяжущих магнезиальные цементы затворяются не водой, а растворами солей MgCl₂ или MgSO₄, в некоторых случаях – серной или соляной кислотой. При твердении магнезиальных цементов происходит образование Mg(ОН)₂ сначала в коллоидном, а затем в кристаллическом состоянии; частично образуется оксихлорид магния

 

mMgO + MgCl₂ + pH₂O → (MgO)_m∙(MgCl₂)∙(H₂O)_p.

 

Магнезиальное вяжущее находит применение в производстве ксилолита, фибролита (термоизоляционного, конструктивного и фибролитовой фанеры), пено‒ и газомагнезита, оснований под чистые полы и других строительных деталей.

Коррозия бетонов.

Камневидное тело портландцемента подвержено коррозии в водах, богатых углекислотой, солями постоянной жесткости СаSО₄, MgSО₄ и др.

Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ + Н₂О           углекислотная

CaCO₃+CO₂+H₂O Ca(HCO₃)₂           коррозия

 

сульфатная коррозия сопровождается образованием сульфоалюминатов, вызывающих местные напряжения за счет увеличения в объеме изделий, в объеме структуры последних.

 

3CaO∙Al₂О₃∙6 H₂O + 3 СаSО₄ + 25Н₂О → 3CaO∙Al₂О₃∙3СаSО₄∙31Н₂О.

 

Для сооружений, соприкасающихся с морской водой, характерна магнезиальная коррозия

 

3CaO∙Al₂О₃∙6H₂O + 3MgSО₄ → 3СаSО₄ + 2Al(ОН)₃ + 3Mg(ОН)₂

 

при углекислотной коррозии известь, содержащаяся в камне, переводится в легкорастворимый гидрокарбонат кальция и вымывается водой; при сульфатной коррозии образуется цементная бацилла (гидросульфоалюминат), приводящая к растрескиванию бетонного сооружения. При магнезиальной коррозии идет разрушение трехкальциевого гексагидроалюмината с образованием сульфата кальция (образует бациллу) и рыхлой структуры Mg(ОН)₂ и Al(ОН)₃. Сульфат магния может также взаимодействовать с Са(ОН)₂ с увеличением объема

 

MgSО₄ + Са(ОН)₂ + 2Н₂О → CaSO₄∙2H₂O + Mg(OH)₂.

 

Образование гипса сопровождается увеличением в объеме, что также приводит к возникновению напряжений в бетоне и его разрушению.

Повысить коррозионную стойкость можно применением добавки к клинкеру кремнеземистого компонента с большой удельной поверхностью. Это объясняется более полным связыванием исходных компонентов в гидросиликаты кальция.

 

Контрольные задания согласно варианта из приложения А (таблица А.1)

391. Перечислить общие физико‒химические свойства вяжущих веществ. Дать их краткую характеристику.

392. Составить уравнения реакций, которые имеют место при получении вяжущих веществ на основе извести. Привести состав воздушной извести.

393. Описать химические процессы, происходящие при получении портландцементного клинкера.

394. Составить уравнения реакций при взаимодействии с водой минералов портландцементного клинкера.

395. Объясните, почему воздушная известь способна твердеть только на воздухе, в то время как гидравлическая – на воздухе и в воде.

396. Назовите, сколько основных компонентов входят в состав клинкера портландцемента и какой из минералов содержится в наибольшем количестве.

397. Составить уравнения реакций и указать условия полного гидролиза 3СаО∙SiO₂.

398. Повышенное содержание каких минералов приводит к ускорению твердения портландцемента? Назовите их. Составить уравнения реакции их взаимодействия с водой.

399. Напишите уравнение реакции с водой соответствующего минерала клинкера портландцемента, повышенное содержание которого замедляет процесс твердения. Назовите этот минерал.

400. Объясните, почему камневидное тело затвердевшего глиноземистого цемента нестойко в щелочных и сильнокислых средах. Напишите соответствующие уравнения реакций.

401. Дать классификацию видов коррозии бетона по механизму протекания коррозии.

402. Укажите виды коррозии бетона по характеру его разрушения. Приведите уравнения происходящих реакций.

403. Составить уравнения реакции, протекающие при углекислотной коррозии. Какой компонент цемента является причиной этого вида коррозии?

404. Где имеет место углекислотная коррозия? Какой компонент из окружающей среды является её причиной? Составить уравнение реакции.

405. Какие воды вызывают магнезиальную коррозию бетона? Составить уравнение реакции магнезиальной коррозии бетона.

406. Назовите основной минерал глиноземистого цемента. Напишите уравнение реакции его взаимодействия с водой.

407. Назовите минерал цементного камня, который подвергается углекислотной, магнезиальной и сульфатной коррозии. Составьте уравнение реакции, которые протекают при этом.

408. Какой вид коррозии бетона приводит к образованию «цементной бациллы»? Составить уравнение реакции её образования.

409. Одним из выражения состава гидравлических вяжущих является указание гидравлического модуля. Как он определяется?

410. Гидравлический модуль для гидравлической извести равен 4,5÷9,0. Определите тип этой извести.

411. Охарактеризовать физические и химические свойства диоксида кремния, его отношение к воде, кислотам и щелочам.

412. Какая масса природного известняка, содержащего 90% (масс.) СаСО₃, потребуется для получения 7,0 т негашеной извести? Ответ: 13,8 т

413. При разложении СаСО₃ выделилось 11,2 л СО₂. Чему равна масса КОН, необходимая для связывания выделяющегося газа в карбонат? Ответ: 56 г.

414. Сколько природного магнезита необходимо для получения 100 кг MgO? Ответ: 210 кг.

415. Перечислить гипсовые вяжущие. Сколько хлористого магния необходимо взять для получения 1 т цемента Сореля? Ответ: 1,2 т.

416. Составьте уравнения реакции гашения извести. Сколько воды выделится при взаимодействии гашеной извести с 1 кг песка при её твердении?

417. Что такое эстрих‒гипс? Как его получают? Где используют?

418. Чем каустический магнезит отличается от каустического доломита? Где они используются в строительстве?

419. Составить уравнения реакции взаимодействия алюминиевой пудры с водным раствором извести. Какое газообразное вещество при этом образуется? Где используется эта реакция при производстве строительных материалов?

420. Составить уравнение реакций, протекающих при контакте силикатного стекла с плавиковой кислотой. Объясните причину появления матовости стекла.

421. Составить уравнения реакций, протекающих при кипячении растворов щелочи в емкостях из силикатного стекла. Как называется этот процесс?

422. Укажите состав воздушной извести. Составьте уравнения реакций получения, гашения и твердения воздушной извести, указав основные продукты.

423. Укажите состав магнезиального вяжущего (цемент Сореля). Составьте уравнение реакции, протекающей при его затворении. Какому эмпирическому составу химического соединения соответствует продукт.

424. Составить уравнение реакции, протекающей при схватывании и твердении строительного гипса. Объясните, почему он относится к быстро схватывающимся вяжущим.

425. Какие вещества называются вяжущими? Приведите их классификацию.

426. Какая известь называется воздушной? Приведите её качественный и количественный состав. Напишите уравнения реакций её получения, гашения.

427. Приведите минералогический состав клинкера портландцемента. Какие добавки замедляют схватывание и твердение цемента. Почему?

428. Приведите качественный и количественный состав портландцементного клинкера. Введение каких добавок ускоряет схватывание и твердение цемента. Почему?

429.Что такое гидравлические добавки к цементам? Какие гидравлические добавки вам известны?

430. Какие гипсовые вяжущие вам известны? Составьте уравнения реакций получения и твердения строительного гипса.