Минеральные вяжущие вещества.

Минеральными вяжущими веществами называют тонко измельченные порошки, способные образовывать с водой клеящее тесто, постепенно загустевающее и переходящее в каменноподобное состояние.

В строительстве минеральные вяжущие вещества применяются в виде смеси воды и заполнителями – песком, гравием, щебнем.

Различают следующие смеси:

цементное тесто – смесь вяжущего вещества и воды.

раствор – смесь вяжущего вещества, воды и песка.

бетонную смесь – смесь вяжущего, воды, песка и крупного заполнителя.

Со стальной арматурой – железобетон.

Все строительные минеральные вяжущие вещества в зависимости от их основных свойств делятся на три группы: воздушные, гидравлические и кослотостойкие.

Воздушные вяжущие могут затвердевать и длительно сохранять или повышать прочность только на воздухе – воздушная известь, гипсовые и вяжущие вещества.

Гидравлические вяжущие, которые могут затвердевать и длительно повышать и сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде – цемент (менее 20%), гидравлическая известь, ромоцемент (более 20% глины примеси).

Поэтому гидравлические вяжущие вещества наиболее ценны для строителей.

 

I. Воздушные вяжущие вещества.

Гипсовые вяжущие вещества.

Гипсовые вяжущие вещества представляют собой тонкоизмельченные продукты обжига гипсового камня (CaSO₄ · 2H₂O), который переходит CaSO₄ · 2H₂O = CaSO₄ · 0,5H₂O (строительный гипс) + h5H₂O

Получают при t = 170 – 150⁰С в котлах.

Свойства. Твердение строительного гипса. При смешивании с водой в начале он растворяется. Затем уже в растворенном виде, полуводный гипс начинает гидрировать, присоединяя 1,5 молекул воды

CaSO₄ · 0,5H₂O + h5H₂O = CaSO₄(выделяется в виде частиц) 2H₂O

При твердении гипс увеличивается в объеме до 1%. Предел прочности при сжатии для гипса 1 сорта – составляет 55 кг/см²; 2 сорта – 45 кг/см²; 3 сорта – 35 кг/см².

На прочность гипса оказывает влияние тонкость помола, количество воды и влажность окружающей среды. Гипсовые изделия не следует применять в помещениях с большой влажностью. Гипсовые вяжущие обладают очень быстрыми фонами схватывания. В связи с этим к гипсу добавляют до 5% извести.

Применение гипса: перегородочные плиты, штукатурка, архитектурные детали и лепные изделия.

Разновидности гипсового вяжущего – высокопрочный гипс до 400 кг/см². Получается нагреванием под давлением пара (марки 200, 250, 300).

Ангидритовый цемент получается при обжиге гипсового камня при t = 500 – 700 ⁰С и последующим размолом.

Однако гипс в таком виде не обладает вяжущими свойствами. Если же ввести в него химические добавки – катализаторы, то образуется вяжущее вещество высокой активности.

Ангидритовые вяжущие применяются для устойчивости полов, изготовления строительных и архитектурных деталей, искусственного мрамора, кладочных и штукатурных растворов.

Высокообжиговым гипсом (800 – 1000)

CaSO₄2H₂O = CaSO₄ + 2H₂O

CaSO₄ → 2CaO + 2SO₂ + O₂

Растворимое стекло.

Растворимым стеклом называют растворимые в воде натриевые или калиевые соли кремневой кислоты (Na₂O и SiO₂ или K₂O и SiO₂).

Получение – расплавлением в стекловаренных печах кварцевом песке, кальцинированной соды, или

Na₂CO₃ + n SiO₂ = Na₂O n SiO + CO₂

И быстро охлаждают – получают глину, которая очень медленно растворяется в воде. Поэтому обычно ее растворяют в автоклавах.

Кислотоустойчивый цемент.

Кварц, кремнефтористый натрий и затворяется жидким стеклом.

 

II. Известь.

Строительной известью называется продукт тонкого измельчения обожженных известняков при температуре 1000 ⁰С.

CaCO₃ = CaO + CO₂

По условиям твердения строительная известь разделяется на два вида:

Известь воздушная – твердеющая только в воздушных условиях.

Известь гидравлическая – твердеющая как на воздухе, так и в воде.

Воздушная известь, полученная обжигом известняка, называется комовой негашеной известью (кипелкой), не являющейся еще вяжущим веществом вращающих печах (печи пересыпные в кипящем еще).

Для получения из комовой извести вяжущего ее следует измельчить. Применяют два вида измельчения – а) помолом ее в мельнице; б) гашением, т.е. действием воды на куски извести.

 

Магнезиально вяжущие вещества.

К ним относится каустический магнезит и каустический доломит. Получают путем обжига магнезита (MgCO₃) или доломита (CaCO₃ · MgCO₃).

При затворении этих вяжущих водой процессы гидратации происходит очень медленно. Однако если их затворить растворами хлористого или сернокислого магния – получается вяжущее высокой прочности (400, 500 и 600).

Магнезиальные вяжущие хорошо сцепляются с органическими материалами (стружки, опилки). Каустический магнезит используют для производства кислолита и фитролита.

По первому способу получают негашеную молотую известь.

По второму способу гашеную гидратную (пушонку).

Молотая (порошок) негашеная (кипелка) при изготовлении известняковых растворов берут примерно 100 – 150% воды от веса кипелки.

Известь гашеная получается при взаимодействии негашеной комовой с водой CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + Q_ккал.

Гидритная известь (пушонка) вследствии сложности ее получения – редко применяется. Если взять воды в 3 – 4 раза больше, то образуется пластичное известковое тесто.

 

Портландцемент.

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания смеси глины и углекислого кальция.

Спекшуюся смесь – называют клинкером.

Для регулирования свойств портландцемента, а также в целях снижения его стоимости допускается вводить в клинер при его помоле активные добавки (трепел, диатолит) в количестве 15% и инертные в количестве 10%.

Для замедления сроков схватывания портландцемента к нему добавляют при помоле гипс в количестве, не превышающем 3%.

Производство. Получение клинкера (смешивание глины, известняка). Получают клинкер сухим способом и мокрым.

Клинкер состоит из следующих соединений:

- трехкальцевый силикат – 3CaO · SiO₂

- двухкальцевый силикат – 2CaO · SiO₂

- трехкальцевый алюминат – 3CaO · Al₂O₃

- четырехкальцевый алюмоферит – 4CaO ·Al₂O₃ · Fe₂O₃

Производство цемента (кратко).

Глину превращают в жидкий глиняный шлам, затем глину подают в спроевую мельницу, куда одновременно подают известняк. После помола смесь попадает в шлам-бассейны, где происходит корректировка состава шлама (75% извести, 25% глины) из бассейна шлам попадает в обжигательную вращающуюся печь и получают клинкер.

После помола клинкера и введение отощающих добавок получают цемент.

Твердение портландцемента.

При затворении портландцемента водой образуется пластичное тесто. Спустя некоторое время тесто начинает уплотняться и загустевать (начало схватывания), а затем превращается в твердое тело (конец схватывания). По теории академика Байкова различается три периода в твердении портландцемента: подготовительный, коллоидации и кристаллизации.

Первый период – растворение минералов до образования насыщенного раствора и взаимодействие с водой главнейших минералов клинкера.

3CaO · SiO₂ + (n + 1)H₂O = 2CaO · nH₂O + Ca(OH)₂

2CaO · SiO₂ + nH₂O = 2CaOSiO₂ · nH₂O

3CaO · Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO · Al₂O₃ · 6H₂O

4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃ + nH₂O = 3CaOAl₂O₃6H₂O + CaO · Fe₂O₃ · nH₂O

Выделение свободной извести при гидролизе трехкальциевого силиката имеет очень важное практическое значение, т.к. это явление снижает стойкость портландцемента в водных условиях.

Второй период. Образовавшиеся гидраты минералов клинкера начинают выпадать из раствора в виде коллоидных масс.

Третий период – кристаллизация коллоидных масс и образование прочного цементного камня.

При взаимодействии портландцемента с водой выделяется тепло t=80⁰С. Поэтому в массивных конструкциях цементы, выделяющие большое количество тепла, применять нельзя. Однако при зимних работах повышенное выделение тепла из цемента положительно складывается на производстве строительных работ.

Структура цементного камня.

Полученный в результате твердения минерального вяжущего вещества цементный камень представляет собой сложное по составу, микроскопически неоднородное по структуре твердое тело, содержащее значительное количество микропор и капилляров, заполненных воздухом, водой или паровоздушной смесью.

Этим объясняется чувствительность цементного камня к изменению влажностного состояния окружающей среды и связанные с ним объемные деформации цементного камня и бетона.

В состав цементного камня входят:

1. Цементирующее вещество в виде гидратных новообразований вяжущего, которые в свою очередь слагаются из гелевидной и кристаллической структурных составляющих;

2. Из-за не успевших прореагировать с водой (цемента);

3. Различных по размеру и происхождению микро- макропор, общий объем, которых может составлять до 40%.

 

Рассмотрим свойства.

Прочность портландцемента характеризуется пределом прочности его образца при сжатии.

Марка портландцемента обозначается по пределу прочности при сжатии образцов в виде кубов с ребром 7,07 см., изготовленных из жесткого цементного раствора составом 1:3 и испытанных в возрасте 28 дней.

Для портландцемента установлены марки 300; 400; 500; 600 и 700.

На прочность портландцемента оказывает влияние начального водозатворения и тонкость помола. Чем больше берется воды, тем ниже прочность в возрасте 28 суток.

Скорость нарастания прочности портландцемента не одинаковое во времени.

Однако прочность портландцемента в 28 дней, не окончательна. В благоприятных условиях твердение цементного камня или бетона продолжается несколько лет.

Сроки схватывания.

Различают начало и конец схватывания цемента. За начало схватывания принимают первый период потери подвижности цементным тестом, а конец схватывания характеризуется некоторым его затвердением.

Начало схватывания портландцемента наступает не ранее 45 мин., а конец – не позднее 12 час. Для строителей совершенно необходимо знать сроки схватывания цемента, потому что транспортирование и применять свежеприготовленные бетоны или растворы можно только до начала схватывания. Если это условие не выполнено, прочность растворов и бетонов будет низкой.

С повышением температуры сроки их схватывания ускоряются, а с понижением – замедляются.

Стойкость портландцемента.

Бетоны на портландцементе применяются в самых разнообразных эксплуатационных условиях.

I. Стойкость портландцемента в воде.

Различают три вида разрушения:

а) Коррозия первого вида. Появляется при действии пресных вод, когда составные части цементного камня растворяются и уносятся фильтрующей водой. Особенно подвержен растворению в пресных водах гидрат Ca(OH)₂.

Для повышения стойкости цемента в пресных водах применяют активные минеральные добавки, которые связывают выделяющуюся известь.

Коррозия второго рода возникает при действии вод, содержащих химические соединения, которые вступают в реакцию с цементным камнем. Образовавшиеся при этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной массы, не обладающей вяжущими свойствами.

Защитить портландцемент от этого вида коррозии можно также применяя гидравлические добавки.

Ca(OH)₂ + MgSO₄ = Mg(OH)₂ (вымывается водой) + CaSO₄

Коррозия третьего вида происходит в результате накопления в порах цементного камня малорастворимых солей, которые затем кристаллизуются с увеличением объема.

Так сернокислый кальций (гипс), взаимодействуя с трехкальциевым алюминатом образует гидросульфоалюминат кальция:

3CaO · Al₂O₃ · 6H₂O + 3CaSO₄ + 25H₂O = 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 31H₂O

Морозостойкость.

Бетоны отличаются высокой морозостойкостью. Наиболее высокой морозостойкостью обладают цементы с высоким содержанием C₃S. Наихудшую морозостойкость имеют цементы, в которых трехкальциевого алюмината более 10 - 12%.

Стойкость при действии высоких температур. До температуры порядка 70⁰ цементный камень не притягивает каких-либо механических изменений.

При 200⁰ прочность снижается в 2 раза, а при 500⁰ разрушается.

 

Виды цемента.

Специальные портландцементы

Специальные портландцементы отличаются от обыкновенного особыми или более ярко выраженными отдельными свойствами. Например, сульфатостойкий портландцемент, обладает повышенной стойкостью в сульфатных водах, пластифицированный образует более пластичные бетонные смеси, белый отличается высокой степенью белизны и т.д.

Номенклатура специальных цементов – обширная.