Глава 4. Неорганические вяжущие вещества

 

Характеристика и классификация неорганических вяжущих веществ

 

Общие сведения

Неорганическими вяжущими веществами называют тонкоизмельченные порошкообразные минеральные материалы, которые при затворении водой (или водными растворами некоторых солей) образуют пластичное тесто, способное со временем затвердевать под влиянием внутренних физико-химических процессов и переходить в камневидное состояние.

Неорганические вяжущие вещества являются продуктами обжига определенного минерального сырья.

 

Классификация

В зависимости от условий твердения вяжущего и области применения, различают воздушные, гидравлические вяжущие вещества, а также вещества автоклавного твердения.

 

Воздушные вяжущие вещества

 

Эти вяжущие вещества, будучи смешаны с водой, могут твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушно-сухой атмосфере.

К воздушным вяжущим относятся: воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, а также жидкое стекло, которое, как исключение из общего числа вяжущих, не относится к порошкообразным материалам.

 

Воздушная известь

Воздушная известь – продукт умеренного обжига (не до спекания) кальциево-магниевых горных пород – мела, известняков, доломитов, содержащих не более 6 % глины.

Воздушная известь применяется для приготовления строительных растворов и бетонов. Известна как вяжущее вещество еще за несколько тысяч лет до нашей эры.

Технология получения воздушной извести состоит из следующих операций:

− добычи известняка в карьерах;

− подготовки известняка к обжигу (дробление и сортировка);

− обжига известняка в шахтных печах (рис. 4.1).

Известняк и топливо загружаются в печь сверху через загрузочное устройство. Воздух для горения подается под давлением с помощью вентилятора в нижнюю часть печи (зона охлаждения). В этой зоне обожженная известь охлаждается воздухом, который, нагреваясь, поступает в среднюю часть печи – зону обжига, где происходит горение топлива. Температура обжига составляет 1000…1200 °С. При этом идет термическая диссоциация СаСО₃ по уравнению:

СаСО₃ → СаО + СО₂ − q.

Горячие дымовые газы с помощью дымососов подаются в зону подогрева, где отдают тепло известняку и топливу, испаряя из них влагу и нагревая их. Образующийся углекислый газ СО₂ составляет примерно 45 % от массы известняка. Образующиеся куски извести имеют пористую структуру. Такая известь называется комовой негашеной или известью-кипелкой и состоит, в основном, из оксида кальция (СаО).

Известь с высоким содержанием СаО, получаемая при обжиге чистых известняков, называется жирной, а известь, получаемая из известняков, в которых содержатся глинистые и другие примеси – тощей.

 

Гашение воздушной извести

При добавлении воды к комовой извести происходит гидратация оксида кальция по реакции

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + q.

Этот процесс гашения сопровождается выделением большого количества тепла (65,1 кДж). Различают гашение извести в пушонку и тесто.

 

Гашение извести в пушонку

Если известь гасить сравнительно небольшим количеством воды (50…70 % от массы извести), то образуется сухой, рыхлый порошок Са(ОН)₂, называемый гидратной известью или пушонкой. Объем этого порошка почти в 3 раза превышает исходный объем комовой извести.

На скорость гашения извести влияет температура: с ее повышением процесс гашения ускоряется. Особенно быстро этот процесс протекает под воздействием пара при повышенном давлении.

Гашение извести в промышленных масштабах производят в специальных машинах – гидраторах (рис. 4.2).

 

Гашение извести в тесто

На строительстве комовую известь чаще всего гасят в тесто. На небольших стройках комовую известь гасят в ямах. Известковое тесто следует выдерживать в яме не менее 14 суток. На крупных строительствах комовую известь в тесто гасят в высокопроизводительных гасильных машинах.

Запрещается применять известковое тесто, в котором осталась непогасившаяся полностью известь (пережог), поскольку гашение будет происходить уже в кладке или штукатурке, что вызывает растрескивание затвердевшего известкового раствора.

 

Твердение известковых растворов

Известь используется в строительстве только в виде растворов (смеси с песком или другими заполнителями). Это объясняется тем, что «чистое» известковое тесто при высыхании дает большую усадку и растрескивается. Физический смысл высыхания и твердения раствора заключается в следующем.

В известковом тесте содержится значительное количество воды, поэтому кристаллы Са(ОН)₂ разделены водными пленками. Высыхание известковых растворов вызывает медленное сближение кристаллов Са(ОН)₂ и их постепенное срастание в кристаллический сросток. Процесс твердения раствора в объеме протекает длительное время.

На поверхности же раствора и на небольшой глубине под действием углекислого газа воздуха протекает процесс карбонизации по реакции

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ +Н₂О.

Образующиеся при этом кристаллы СаСО₃ срастаются с кристаллами Са(ОН)₂, что также упрочняет известковый раствор. Следовательно, для ускорения процесса карбонизации необходимо, чтобы растворы интенсивнее взаимодействовали с атмосферным воздухом.

Поскольку при карбонизации выделяется вода, каменную кладку и штукатурку на известковых растворах желательно подвергать принудительной сушке.

Для получения водостойкого раствора к извести добавляют активные гидравлические добавки: золы теплоэлектростанций, молотые шлак, пемзу и др. Эти добавки содержат аморфные глинозем Al₂О₃ и кремнезем SiO₂, которые в присутствии воды образуют с известью нерастворимые химические соединения типа гидросиликатов кальция или гидроалюминатов кальция:

Са(ОН)₂ + SiO₂ + H₂O → n CaO∙SiO₂∙m H₂O.

гидросиликат кальция

Известь с активными минеральными добавками применяют в штукатурных растворах для подземной части сооружений и в растворах, твердеющих во влажных условиях.

Обычно строительную воздушную известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок, которые работают в сухих условиях, а также для получения силикатного кирпича, ячеистобетонных изделий автоклавного твердения, известковых красок, смешанных вяжущих и других материалов.

 

Виды и свойства воздушной извести

Воздушная известь в зависимости от содержания в ней оксидов кальция и магния делится на:

− кальциевую (MgO не более 5 %);

− магнезиальную (MgO от 5 до 20 %);

− доломитовую (MgO от 20 до 40 %).

На строительство известь поставляют в следующих видах:

− негашеной комовой (кипелки);

− негашеной порошкообразной (молотой кипелки);

− гашеной (гидратной) порошкообразной (пушонки).

Негашеная комовая известь – это полуфабрикат для получения молотой извести, гидратной (пушонки), известкового песка и молока.

Комовую известь перевозят навалом в закрытых вагонах и автомашинах. Ее хранят в сухих складах с деревянным полом, приподнятом над землей на 30…35 см. Попадание воды должно быть исключено: реакция с водой вызывает сильный саморазогрев (до 300 °С), что при контакте с легко воспламеняющимися материалами (опилки, стружки и др.) может вызвать пожар.

Негашеную молотую известь получают помолом комовой извести в шаровых мельницах. Иногда при помоле в известь вводят 10…20 % гидравлических добавок (зола, шлак).

Гашеная (гидратная) известь заводского изготовления поставляется в цементовозах, контейнерах, бумажных мешках и навалом (в закрытых вагонах). Хранят известь в силосах или бункерах. Влажность гидратной извести должна быть не более 5 %, насыпная плотность 400…450 кг/м³.

Известковое тесто представляет собой пасту плотностью 1300…1400 кг/м³. Оно образуется при гашении комовой извести избыточным количеством воды. Примерно из 1 кг извести получается 2…2,5 л известкового теста.

После гашения тесто сливают через сетку в известехранилище, где выдерживают не менее двух недель. Содержание воды в известковом тесте не нормируется. Однако практика показывает, что в хорошо выдержанном тесте соотношение воды и извести равно 1.

Воздушная известь всех видов – сильная щелочь. Поэтому при работе с ней должны быть обеспечены меры техники безопасности: предотвращен контакт извести с открытыми участками кожи и особенно газами и дыхательными органами.

Важнейшими показателями качества воздушной извести являются:

− активность – содержание (в %) активных, т.е. способных к гашению оксидов СаО + MgО;

− содержание непогасившихся зерен (в %).

При недоджоге – это неразложившийся СаСО₃, при пережоге – частицы остеклованного трудногасящегося оксида кальция СаО.

− Время гашения (в минутах). В зависимости от него различают следующие виды извести: быстрогасящуюся – время гашения не более 8 мин.; среднегасящуюся – не более 25 мин. и медленногасящуюся – не менее 25 мин.

В зависимости от перечисленных нормированных свойств негашеная и гидратная известь делится на сорта (по соответствующему ГОСТу).

Строительные растворы на воздушной извести вследствие высокой пористости характеризуются низкой прочностью. Например, на 28-ые сутки твердения образцы (известковое тесто +песок) имеют предел прочности при сжатии 0,5-1 МПа. При использовании молотой негашеной извести образцы имеют более высокую прочность – до 5 МПа.

Применение воздушной извести

Строительную воздушную известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок, работающих в сухих условиях, силикатного кирпича, ячеистобетонных изделий автоклавного твердения, известковых красок, смешанных гидравлических вяжущих и других материалов.

 

Гипсовые вяжущие вещества

 

Гипс, как воздушная известь, известен давно. Так, например, пирамида Хеопса в Египте (одно из семи чудес света) была построена более 4100 лет назад. Ее каменные блоки скреплялись гипсовым раствором.

 

Классификация гипсовых вяжущих веществ и их свойства

Гипсовые вяжущие вещества подразделяются на строительный гипс и ангидритовые вяжущие вещества.

Строительный гипс иногда называют «алебастром» (греч. аlebastros – белый). Это минеральное вяжущее воздушного твердения образуется путем тепловой (140…190 °С) обработки и помола природного гипсового камня (CaSO₄ × 2H₂O). При этом происходит частичная дегидратация двуводного гипса с переходом его в полуводный гипс

CaSO₄ × 2H₂O → CaSO₄ × 0,5H₂O + 1,5Н₂О.

При осуществлении этого процесса в котлах выделяется водяной пар (поэтому говорят, что гипс «варят»).

Процесс твердения гипса характеризуется значительным выделением тепла, что вызывает повышение температуры до 50 °С и увеличение объема затвердевающей массы до 1 %.

Гипс – быстросхватывающееся вяжущее, что затрудняет иногда ведение строительных работ. Для замедления схватывания чаще всего используют кератиновый и известково-клеевой замедлители (0,1…0,5 %).

При производстве работ в зимнее время, наоборот, для ускорения схватывания используют двуводный гипс и поваренную соль NaCℓ (0,5…2 %).

Основными свойствами гипсовых вяжущих, определяющими их качество, являются: водопотребность, сроки схватывания, тонкость помола и прочность при сжатии и изгибе.

Гипсовые вяжущие в воде снижают прочность вследствие растворения своей кристаллической структуры. Поэтому для повышения водостойкости гипсовых вяжущих в их состав вводят портландцемент, известь-кипелку, тонкомолотый доменный гранулированный шлак или покрывают изделия из гипса водоотталкивающими пленками и водозащитными слоями, пропитывают синтетическими смолами.

На основе гипсовых вяжущих изготавливают смешанные вяжущие вещества (гипсоцементно-пуццолановые, гипсоизвестковые, гипсошлаковые и др.).

В зависимости от способа обработки сырья гипсовое вяжущее может быть двух видов – a и b-полугидраты. Если тепловая обработка сырья идет при атмосферном давлении и вода выделяется в виде пара, то образуется b - CaSO₄ × 0,5H₂O. Этот гипс характеризуется мелкокристаллической структурой и повышенной водопотребностью.

Для получения b-модификации полуводного гипса природный гипс нагревают в открытых аппаратах, сообщающихся с атмосферой, и с удалением воды в виде перегретого пара (рис. 4.3).

При тепловой обработке паром под давлением 0,2-0,3 МПа в герметически закрывающихся аппаратах образуется a - CaSO₄ × 0,5H₂O, который состоит из более крупных кристаллов. Вода из гипсового камня выделяется в виде жидкости. Этот гипсовый материал является более прочным и быстротвердеющим вяжущим из-за низкой водопотребности.

Ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) получается при более высокой температуре: природный гипс обжигают при 600…700 °С до полной гидратации, т.е. до образования ангидрита с одновременным помолом совместно с некоторыми добавками – активизаторами (рис. 4.4).

Ангидритовое вяжущее медленно схватывается и медленно твердеет. Для его использования необходимо добавлять активизаторы твердения. Например, природный безводный ангидрит даже в тонкоразмолотом состоянии не обнаруживает вяжущих свойств.

В качестве активизаторов используют щелочные добавки: известь (3…5 %) или основные шлаки (10…15 %), а также растворимые сульфаты – Na₂SO, Aℓ₂(SO₄)₃, FeSO₄ (0,5…1 %). В присутствии указанных добавок ангидрит, взаимодействуя с водой, способен схватываться и твердеть.

Предел прочности при сжатии у ангидритового вяжущего («ангидритового цемента») составляет 10…20 МПа, начало схватывания наступает не ранее 30 мин., конец – не позже суток.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают при обжиге гипсового сырья при температуре 850…900 °С. При этом идет его частичная диссоциация с образованием СаО, который служит активизатором твердения ангидрита. Получающийся тонкоизмельченный порошок является высокообжиговым гипсом (эстрих-гипсом). Начало схватывания наступает не ранее, чем через 2 часа, конец схватывания не нормируется.

В связи с пониженной водопотребностью (у эстрих-гипса она составляет 30…35 %, а обычного – 50…60 %) эстрих-гипс после затвердевания обладает большей плотностью и прочностью. Затвердевший высокообжиговый гипс имеет высокую прочность (15…30 МПа), малую теплопроводность, хорошую звукопоглощаемость.

Отделочный ангидритовый цемент. Отделочный ангидритовый цемент получается из чистых разновидностей природного гипса путем одно- или двукратного обжига при температуре 600…700 °С с обработкой до обжига или после него алюмокалиевыми квасцами, бурой или другими солями. Отделочный цемент имеет белый цвет и применяется для отделочных работ, в частности, для получения искусственного мрамора.

Применение гипсовых и ангидритовых вяжущих веществ

Строительный гипс широко применяют для приготовления штукатурных растворов, для внутренней отделки стен и потолков в помещениях с нормальной влажностью. Свыше 90 % всего вырабатываемого гипса поступает на строительство в виде эффективных готовых изделий заводского изготовления.

Из гипсовых и ангидритовых вяжущих материалов изготавливают различные строительные детали и архитектурно-декоративные изделия: перегородочные плиты, сухую штукатурку, вентиляционные короба, карнизы, искусственный мрамор и т.д.

 

Магнезиальные вяжущие вещества и жидкое стекло

К магнезиальным вяжущим веществам относятся каустический магнезит и каустический доломит.

Каустический магнезит получают обжигом природного магнезита MgCO₃ в шахтных или вращающихся печах при 750…850 °С. При обжиге происходит диссоциация углекислого магния:

MgCO₃ → MgO + CO₂.

После обжига каустический магнезит размалывают в тонкий порошок и сразу же упаковывают в металлические бочки, поскольку при хранении на воздухе он быстро теряет свою активность.

Сроки схватывания каустического магнезита зависят от температуры обжига и находятся в пределах: начало – не ранее 20 мин., конец – не позднее 6 часов. Твердение начинается интенсивно, а через 1 сутки вяжущее достигает прочности 10…15 МПа; через 28 суток воздушного твердения прочность составляет 30…50 МПа, а в жестких смесях – до 100 МПа.

каустический доломит. Это продукт обжига природного доломита СаСО₃ ∙ MgCO₃ при температуре 650…800 °С. При этой температуре происходит диссоциация только углекислого магния:

СаСО₃ ∙ MgCO₃ → MgO + CO₂ + CaCO₃.

Углекислый кальций СаСО₃ при этом не разлагается и является инертным материалом. Поэтому получаемое вяжущее по качеству хотя и уступает каустическому магнезиту, но является более дешевым и может применяться там же, где каустический магнезит. У каустического доломита сроки схватывания больше, чем у последнего, а прочность ниже (через 28 суток составляет 10…30 МПа).

Магнезиальные вяжущие отличается повышенной прочностью сцепления с каменными и древесными материалами, особенно прочностью на разрыв. Наиболее широкое применение магнезиальное вяжущее получило при изготовлении ксилолита – бетона на магнезиальном вяжущем с наполнителем из древесных опилок и фибролита (то же, но с древесными стружками).

Магнезиальному бетону с помощью пигментов можно придать высокую декоративность, что позволяет устраивать цветные полы и изготавливать декоративные архитектурно-художественные плиты (1200×600 мм), а также искусственный мрамор.

Жидкое (растворимое) стекло. Представляет собой натриевый (Na₂O∙nSiO₂) или калиевый (K₂O∙nSiO₂) силикат.

Растворимый силикат натрия Na₂O∙nSiO₂ получают сплавлением в стекловаренных печах при 1300…1400 °С в течение 7…10 ч измельченной смеси кварцевого песка (SiO₂) с содой (Na₂CO₃). Растворимый силикат калия K₂O∙nSiO₂ получают сплавлением песка с поташом (К₂СО₃). При этом происходят следующие реакции:

Na₂CO₃ + nSiO₂ → Na₂O ∙ nSiO₂ + CO₂

K₂CO₃ + nSiO₂ → K₂O ∙ nSiO₂ + CO₂

Полученный сплав сливают в вагонетки и вследствие быстрого охлаждения он застывает в виде отдельных кусков, называемых силикат-глыбой. Затем его раздробленные куски растворяют в воде в автоклаве при температуре 120…150 °С и давлении пара 0,6…0,8 МПа в течение 2…3 ч. В результате получают жидкое натриевое или калиевое стекло в виде густой жидкости.

Таким образом, основной частью растворимого стекла являются щелочные силикаты, свойства которых оценивают с помощью модуля, представляющего отношение количества кремнезема к оксиду натрия (или калия):

(4.1)

Чем выше модуль, тем труднее растворяется стекло.

Жидкое стекло твердеет только на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема под действием углекислого газа воздуха по реакции

Na₂O ∙ nSiO₂ + CO₂ = Na₂CO₃ + nSiO₂.

Для ускорения твердения и повышения водоустойчивости в жидкое стекло добавляют 10-15 % кремнефтористого натрия (Na₂SiF₆). При этом образуется водонерастворимый фторид натрия NaF и кремнегель SiO₂ × nH₂O, что обеспечивает ускоренное твердение.

Жидкое стекло перевозят в бочках, хранят в закрытых отапливаемых помещениях.

В строительстве применяют в основном натриевое жидкое стекло плотностью 1300…1500 кг/м³ и модулем 2,6…3,0.

Жидкое стекло применяют для закрепления грунтов (в сочетании с хлористым кальцием), для приготовления защитных красок, замазок, для защиты каменных материалов от выветривания, а также для изготовления кислотоупорного цемента.