Общие сведения. Классификация

Вяжущие вещества обладают ценным свойством - соединяют широко распространенные песок, гравий, щебень в единое целое, в искусственный камень. Вяжущие вещества по составу делят на две большие группы:

- неорганические, которые затворяют водой, реже водными растворами солей. К ним относятся известь, цементы, гипсовые вяжущие, жидкое стекло и др.;

- органические, переводимые в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях (битумы, дегти, животный клей, полимеры).

Неорганические вяжущие вещества - порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное в результате физико-химических процессов с течением времени затвердевать, т.е. переходить в камневидное состояние. Это свойство широко используют для изготовления необожженных искусственных материалов: бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных изделий, строительных растворов и др.

Неорганические вяжущие вещества в смеси с водой (в виде теста) применяют крайне редко, как правило - в виде строительных растворов (с мелкими заполнителями) и в виде бетонов (с мелким и крупным заполнителем). Введение заполнителя приводит к экономии вяжущего и к улучшению свойств искусственного камня.

Неорганические вяжущие вещества делятся на следующие группы:

* Воздушные вяжущие вещества способны схватываться, твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушной среде. Такие материалы применяют лишь в надземных сооружениях, не подвергающихся действию воды. К ним относятся известковые вяжущие, состоящие главным образом из СаО; гипсовые, основой которых является сернокислый кальций; магнезиальные, содержащие каустический магнезит MgO; жидкое стекло - силикат натрия или калия в виде водного раствора.

* Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность (или даже повышать ее) не только на воздухе, но и в воде. По химическому составу они в основном состоят из четырех оксидов: СаО-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. К ним относятся портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и его разновидности, гидравлическая известь, романцемент.

* Вяжущие вещества автоклавного твердения эффективно твердеют только в среде нагретого насыщенного пара в автоклавах (t = 175-200 ⁰С, давление пара 0,9-1,3 МПа), например, известково-кремнеземистые, известково-зольные, известково-шлаковые, нефелиновый цемент и др.

Самостоятельную группу составляют кислотоупорные вяжущие вещества: кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент и др. Они после затвердевания на воздухе могут длительное время сохранять прочность при действии на них кислот.

Воздушные вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества

Сырьем для получения служит природный гипсовый камень СаSO₄.2H₂O и природный ангидрит СаSO₄ , а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например, фосфогипс (отход при производстве фосфорной кислоты).

Технологический процесс производства гипсовых вяжущих состоит в измельчении гипсового камня и последующей тепловой обработке (дегидратации). В зависимости от температуры обжига гипсовые вяжущие подразделяют на низкообжиговые ( 110-180 ⁰С) и высокообжиговые (600-900 ⁰С).

Используемые технологические схемы отличаются друг от друга числом и последовательностью основных операций. Широко распространена схема производства низкообжиговых гипсовых вяжущих (строительный гипс) в варочных котлах или печах. Применяются также установки совмещенного помола и обжига. Тепловая обработка в этих условиях производится при атмосферном давлении, вода из исходной горной породы выделяется и удаляется в виде пара:

CaSO_4.2H₂O = + 1,5Н₂О -Q

Это эндотермическая реакция, идущая с поглощением тепла. Продукт реакции - -модификация СаSO₄.0,5Н₂О имеет мелкие кристаллы с нечетко выраженными гранями.

Для получения высокопрочного гипса, состоящего в основном из -СаSO₄.0,5Н₂О (имеет крупные и плотные кристаллы в виде игл или призм), создают такие условия, при которых кристаллизационная вода удаляется в капельно-жидком состоянии. Известны два способа получения высокопрочного гипса: автоклавный и способ кипячения в водных растворах некоторых солей при атмосферном давлении. Получаемый -полугидрат характеризуется меньшей водопотребностью (30-45%) по сравнению с -полугидратом, пониженной пористостью и повышенной прочностью на сжатие - до 50 МПа.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают обжигом дробленого гипсового камня или ангидрита во вращающихся печах с последующим размолом продукта обжига.

Ангидритовое вяжущее - продукт обжига СаSО₄.2Н₂О при температуре 600-900 ⁰С с последующим измельчением с добавками-катализаторами (известь, обожженный доломит, основные доменные шлаки). Ангидритовое вяжущее получают также помолом природного ангидрита СаSО₄ с добавками-активизаторами твердения (способ П.Г.Будникова).

Высокообжиговый гипс состоит из ангидрита СаSО₄ и 3-5% СаО, образующегося при разложении СаSО₄ и выполняющего роль катализатора при твердении СаSО₄. Высокообжиговый гипс получают обжигом гипсового камня при температуре 800-1000⁰С и последующим помолом, в отличие от строительного гипса он медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность выше.

Твердение строительного гипса происходит в результате растворения - полугидрата, образования его пересышенного раствора, в котором возникают зародыши кристаллов двугидрата:

+ 1,5Н₂О= CaSO_4.2H₂O + Q (экзотермическая реакция).

По теории твердения А.А.Байкова выделяют три периода твердения:

- подготовительный период - образование раствора, насыщенного по отношению к продуктам гидратации; пластичное состояние теста;

- период коллоидации - образование коллоидно-дисперсной массы в виде геля; загустевание теста (схватывание);

- период кристаллизации – кристаллизация новообразований, рост кристаллов, их срастание, образование кристаллизационной структуры; твердение системы и рост ее прочности.

Дальнейшее увеличение прочности происходит за счет высыхания гипсового камня - удаления пленочной воды.

Основные свойства гипсовых вяжущих определяются по стандартным методикам.

Тонкость помола определяется в зависимости от остатка на сите 0,2 мм при просеивании пробы гипса; различают вяжущие грубого, среднего и тонкого помола.

Водопотребность определяется количеством воды в % от массы вяжущего, необходимым для получения гипсового теста стандартной консистенции. Консистенция оценивается по диаметру расплыва лепешки из гипсового теста на вискозиметре Суттарда.

Чтобы получить удобоукладываемое гипсовое тесто, необходимо взять 50-70% воды от массы гипса, а на химическую реакцию гидратации требуется лишь 18,6% Н₂О. Избыток воды затем испаряется, что обуславливает большую пористость (40-60% и более), и соответственно, невысокую прочность.

По срокам схватывания различают группы гипсовых вяжущих, приведенные в таблице 6.1.

Марку гипса (от Г-2 до Г-25, где цифра обозначает предел прочности при сжатии, МПа) определяют по результатам испытаний образцов-балочек размерами 40х40х160 мм через 2 ч после изготовления. Балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся при этом половинки – на сжатие.

Особенностью процесса твердения гипса является небольшое увеличение до 1% в объеме, что благоприятно для изготовлении архитектурных деталей (рельефов) способом литья.

Таблица 6.1