Твердение минеральных вяжущих

 

В настоящее время твердение минеральных вяжущих рассматривают как сложный физико-химический процесс в системе «вяжущее – вода», заключающийся в преобразовании исходных компонентов в смесь новых минералов, из которых слагается искусственный камень.

Сущность теории твердения минеральных вяжущих обычно выражается следующей последовательностью процессов: растворение – коллоидация – кристаллизация, которая сохраняется только на начальной стадии взаимодействия, а затем все три протекают одновременно, налагаясь один на другой, дополняясь специфическими особенностями, свойственными конкретному вяжущему. Рассмотрим каждый из них в общем виде. Первый – растворение. Любое вещество в большей или меньшей степени растворяется в воде и, находясь в ней, стремится создать свой насыщенный раствор. Минералы, из которых состоят вяжущие, обладают химической активностью по отношению к воде и поэтому они не просто растворяются, а вступают с водой в реакцию гидратации с образованием новых соединений, включающих в свой состав кристаллизационную воду (кристаллогидраты).

Этот процесс протекает до тех пор, пока вся вода не превратится в насыщенный раствор по отношению к новым кристаллогидратам.

Коллоидация характеризуется загустеванием, повышением вязкости смеси в связи с тем, что часть воды, обеспечивающая пластичность, участвует в химической реакции с вяжущим, а другая адсорбируется на поверхности зерен вяжущего. Растворение затормаживается и вокруг каждого зерна образуется студнеобразная, клейковидная масса - гель, обладающая склеивающей способностью, которая тем выше, чем меньше содержится воды. Так как процесс взаимодействия вяжущего с водой продолжается, то постепенно раствор из насыщенного переходит в пересыщенный и из него начинают выкристаллизовываться мельчайшие кристаллы новообразований. Твердение переходит в третий заключительный этап– кристаллизацию, при котором мелкие кристаллы укрупняются, срастаются между собой, образуя жесткую структуру, и весь материал приобретает прочность камня. Скорость твердения в большей степени зависит от растворимости веществ, составляющих вяжущее, и растворимости образующихся в результате реакции с водой соединений. Если растворимость составляющих вяжущее минералов велика, а образующихся соединений мала, то загустевание-схватывание и твердение могут завершиться быстро, в течение минут, часов. Если же растворимость исходных мала, то формирование искусственного камня может продолжаться месяцы и даже годы. Следовательно, ускоряя растворимость вяжущего путем повышения температуры, применения специальных добавок и другими методами можно регулировать скорость образования искусственного камня.

В практике заводского изготовления изделий и крупноразмерных конструкций из бетона и железобетона для ускорения набора прочности применяют специальные камеры тепловлажностной обработки с температурой 70 – 90 °С и автоклавы, работающие в условиях избыточного давления и высокой до 200 °С температуры. Твердение можно также ускорить, затворяя вяжущее не чистой водой, а раствором некоторых солей, которые за счет повышения ионной силы ускоряют растворение вяжущих. Так как скорость получения искусственного камня зависит также от времени выпадения из перенасыщенного раствора первых кристаллов образующихся гидратных соединений, то, следовательно, введя их искусственным путем в смесь «вяжущее – вода» можно ускорить процесс схватывания и твердения.

Большую роль в скорости формирования искусственного камня играет соотношение между количеством воды и вяжущего, которое называют водовяжущим (В/В) или водотвердым (В/Т). Чем больше воды, тем больше времени необходимо для получения насыщенного и перенасыщенного раствора, из которого начнется кристаллообразование, следовательно, тем медленнее будут протекать процессы твердения. Таким образом, снижаяВ/В,мы тем самым ускоряем набор прочности.

Так как все минеральные вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, следовательно, размер частицтоже будет влиять на скорость процесса твердения. Чем мельче частицы, тем площадь соприкосновения с водой в единице объема больше, реакции идут полнее и процесс взаимодействия ускоряется.

Последнее, за счет чего можно ускорить реакции, – это целенаправленный подбор составасамого вяжущего. Все рассмотренные способы ускорения набора прочности искусственным камнем используют при возведении зданий и сооружений из бетона, получения изделий различного назначения на основе минеральных вяжущих.

По условию твердения и эксплуатации изделий из искусственного камня минеральные вяжущие подразделяют на воздушные и гидравлические. К вяжущим воздушного твердения относят такие простые по составу вещества, как известковые, низко- и высокообжиговые гипсовые, магнезиальные и жидкое стекло. Гидравлические вяжущие состоят из минералов сложного состава, образующих в результате взаимодействия с водой прочный водостойкий искусственный камень. К гидравлическим вяжущим принадлежат: гидравлическая известь, романцемент, разновидности портландцемента и специальные виды цементов.

Воздушные минеральные вяжущие вещества

 

Воздушные вяжущие характеризуются сравнительно высокой растворимостью как исходных веществ, так и соединений, которые образуются в результате реакции гидратации. Поэтому изделия из этих вяжущих при контакте с водой теряют свою прочность, а при действии проточной воды размываются – коэффициент размягчения менее 0,5. Следовательно их можно использовать только для производства изделий, эксплуатируемых в воздушно-сухих условиях внутри помещения.

 

Гипсовые вяжущие

Гипсовыми вяжущими веществами называют тонкомолотые материалы, состоящие из полуводного гипса (СаS0₄х0,5Н₂О) или ангидрита (СаS0₄). В качестве сырья используют природный каменный материал – гипс (СаS0₄х2Н₂О), представляющий собой осадочную породу, образовавшуюся примерно 100 – 200 млн. лет назад в результате испарения участков Мирового океана. Кроме этого в качестве дополнительного источника дешевого сырья служат такие отходы химической промышленности, как фосфогипс, борогипс. Получение гипсовых вяжущих основано на способности сырья – двуводного гипса СаS0₄х2Н₂О в процессе нагревания частично или полностьюотдавать кристаллизационную воду (дегидратировать) СаS0₄х2Н₂О = СаS0₄х0,5Н₂О+1,5Н₂О. По условию тепловой обработки, от которой в дальнейшем зависят свойства полученных веществ, гипсовые вяжущие подразделяют на низкообжиговые и высокообжиговые. К низкообжиговым относятся строительный и высокопрочный гипс. Строительный гипс, полученный путем «варки» сырья при температуре 140 – 160 °С, представляет собой мелкие пластинчатые кристаллы, требующие большого количества воды (В/Г от 0,5 до 0,7) для получения пластичного теста. В связи с тем, что в химической реакции участвует около 19 % воды, а 30 – 50 % в процессе твердения испаряется, гипсовый камень обладает высокой пористостью, легкостью, пониженной теплопроводностью и звукопоглощением. Максимальная прочность изделий не превышает 25 МПа. С целью снижения водопотребности и повышения прочности при изготовлении гипсовых изделий вводят добавки-пластификаторы, обеспечивающие заданную пластичность при уменьшении расхода воды на 20 %. Повысить прочность гипсовых изделий можно также за счет использования так называемого высокопрочного крупнокристаллического гипса, который получают путем обработки сырья в специальных автоклавах насыщенным паром при температуре 123 °С. Его водогипсовое отношение равно 0,3 – 0,4, следовательно свободной испаряющейся воды содержится значительно меньше и изделия получаются более плотные и прочные
(до 40 МПа).

Процесс твердения (гидратации) гипса проходит по следующей реакции: СаS0₄х0,5Н₂О+1,5Н₂О = СаS0₄х2Н₂О

Низкообжиговые гипсовые вяжущие характеризуются быстрым схватыванием и твердением, что сопровождается большим выделением тепла (до 122 кДж/кг). Начало схватывания, контролируемое по загустеванию гипсового теста нормальной густоты (НГ), должно наступать, согласно требованиям ГОСТ 125-79 (с изм.), для быстротвердеющего не ранее
2 мин (А), нормальнотвердеющего – 6 мин (Б) и медленнотвердеющего – 20 мин (В). Конец схватывания – образование искусственного камня, соответственно не позднее 15, 30 мин после затворения гипса водой и для медленнотвердеющего не нормируется.

В зависимости от применяемой технологии строительных работ на объекте или технологического процесса получения гипсовых изделий на заводе твердение замедляют или ускоряют путем введения специальных добавок. Качество гипса контролируют в лаборатории (ГОСТ 125-79) по следующим показателям: тонкости помола – остаток на сите 02 (не более 23 % – грубого (I), 14 % – среднего (II) и 2 % – тонкого (III) помола), нормальной густоте (НГ) или водопотребности гипсового теста для обеспечения заданной пластичности, срокам схватывания, пределу прочности на изгиб и сжатие. По последним показателям гипсу присуждают следующие марки: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25. Число показывает предел прочности при сжатии в МПа образцов балочек размером 40х40х160 мм, отформованных из гипсового теста определенной пластичности (НГ) и твердеющих на воздухе в течение 2 часов. При этом предел прочности при изгибе должен составлять соответственно от 1,2 до
8 МПа. В условное обозначение гипсового вяжущего входят марка по прочности, индекс сроков твердения и степени помола. Например, Г-5АII – гипс с прочностью на сжатие не менее 5 МПа; сроками схватывания: начало до 6 мин и конец не позднее 15 мин; тонкостью помола до 14 %.

Особенностью полуводного гипса по сравнению с другими вяжущими является способность гипсового теста при твердении расширяться до 1 %. Так как увеличение объема происходит еще в незатвердевшей массе, то она хорошо уплотняется и заполняет форму. Это обеспечивает широкое применение гипса для отливки художественных изделий сложной конфигурации. Высокое содержание кристаллизационной воды позволило эффективно использовать гипсовые изделия и штукатурные растворы на его основе как огнезащитные средства. Большое значение, особенно в жилищном строительстве, имеет также способность гипсовых изделий при повышении влажности поглощать влагу, а при снижении отдавать в окружающую среду, регулируя тем самым микроклимат в помещении. Поэтому гипсовые крупноразмерные материалы в виде гипсокартонных или гипсоволокнистых листов широко используют в строительстве в качестве сухой штукатурки, которая крепится к стенам при помощи специальных мастик. Гипсокартонные листы представляют собой отделочный материал, изготовленный из строительного гипса, защищенного с двух сторон специальным картоном. Толщина листов составляет от 6,5 до 24,0 мм. В зависимости от свойств их подразделяют на обычные (ГКЛ), влагостойкие (ГКЛВ), с повышенной сопротивляемостью воздействию открытого пламени (ГКЛО) и влаго-, огнестойкие (ГКЛВО). Этот материал нашел широкое использование в качестве огнезащиты конструкций, при выполнении подвесных потолков и устройстве перегородок. Современные модульные перегородки, которые можно демонтировать и переносить в любое место помещения, состоят, в частности, из оцинкованного стального каркаса, по обе стороны которого расположены листы толщиной до 13 мм, соединенные алюминиевыми профилями. Листы выполнены из гипсокартона с виниловым покрытием (гипсовинил). Этот материал обладает декоративностью, легко моется, неогнеопасен поэтому его целесообразно применять для отделки коридоров, фойе, холлов. В гипсоволокнистых плитах, получаемых методом проката дисперсной арматурой, снижающей хрупкость изделий, служит равномерно распределенное в гипсовой массе растительное волокно: льнокостра или макулатура. Для внутренней отделки помещений выпускают листы с декоративным покрытием из поливинилхлоридных пленок, текстурной бумаги под мрамор, дерева или отделанные лакокрасочными составами. Их применение исключает «мокрый» процесс внутренней отделки – оштукатуривание, что позволяет значительно быстрее сдавать объекты в эксплуатацию.

Высокая пористость гипсовых изделий обеспечила их применение в качестве звукопоглощающих плит, регулирующих акустические свойства помещений. Путем введения полимерных пенообразующих добавок получают пенополимергипсовые («Тизол») и пеногипсоволокнистые плитные утеплители. Первый – производят по литьевой технологии с последующей сушкой в виде плит размером 600(750)х500(600)х50(100) мм, маркой по плотности 100, 200 и 300 кг/м³, прочностью от 0,8 до 4 кгс/см², теплопроводностью от 0,06 до 0,1 Вт/м·К и маркой по морозостойкости F50. Плиты имеют гидрофобное покрытие, их основное назначение – теплоизоляция стеновых панелей, перекрытий, покрытий и их огнезащита. Второй – получают из вспененной композиции, включающей гипсовое вяжущее, глину, базальтовое и стеклянное волокно, полимерные модифицирующие добавки и воду. Плиты обычные и гидрофобные в объеме выпускают в оболочке из нетканого полотна размером 3000х1200х40 мм, плотностью 150 кг/м³, прочностью 0,15 МПа и теплопроводностью 0,05 Вт/м·К для изготовления трехслойных металлических навесных панелей типа «сэндвич». В сочетании с древесными отходами и такими пористыми материалами, как керамзит получают крупноразмерные гипсобетонные блоки и панели для выполнения стационарных внутренних перегородок.

Важнейшими недостатками затвердевшего гипса являются значительные деформации под нагрузкой (ползучесть) и низкая водостойкость. Жесткость изделий повышают за счет армирования и введения недеформируемых прочных заполнителей (керамзита). Увеличить водостойкость можно за счет снижения В/Г, использования малопластичных (жестких) смесей, пропиткой изделий полимерными составами, введением в гипсовую массу гидрофобных (водоотталкивающих) добавок, шлифовкой и полировкой поверхности изделий. Одним из перспективных направлений является совместный помол гипса с цементом и шлаком – гипсоцементо-шлаковое вяжущее (ГЦШ) или цементом и пуццолановой добавкой (зола, опока) – гипсоцементопуццолановое вяжущее (ГЦП). И в том, и в другом случае получают смешанные вяжущие, медленно твердеющие исохраняющие прочность (10 – 15 МПа) во влажных условиях (коэффициент размягчения не менее 0,65). Изделия на их основе обладают пониженной морозо- и воздухостойкостью (ГЦП), поэтому в наземном строительстве их не применяют вследствие резких природных колебаний температурно-влажностных условий. Основное назначение – изготовление санитарно-технических кабин и монолитных полов в общественных зданиях, а также на предприятиях легкой промышленности.

Высокобжиговые вяжущие, прочность которых составляет от 5 до 20 МПа, медленно схватываются и твердеют, т. к. состоят преимущественно из безводного сульфата натрия, полученного обжигом сырья при температуре 600 – 1000 °С. К ним относятся ангидритовый цемент и эстрихгипс. Ангидритовый цемент можно получить или путем обжига природного двуводного гипса при температуре 600 – 700 °С до полного удаления воды и последующего помола совместно с катализаторами (известь, шлак), ускоряющими процесс гидратации, или непосредственным размолом природного безводного ангидрита с введением этих добавок. Во втором случае качество вяжущего хуже из-за наличия примесей.

Эстрихгипс представляет собой обожженный при температуре 900 – 1000 °С природный ангидрит. При такой высокой температуре часть ангидрита разлагается с выделением серного газа – SO₃. Таким образом, состав эстрихгипса представляет собой смесь СаSO₄ и СаО, играющую роль катализатора в процессе гидратации. Затвердевший эстрихгипс обладает высокой прочностью на истирание. Основное применение этих вяжущих: выполнение монолитных полов или в сочетании с плитами из горных по-род – мозаичных полов; изготовление путем введения пигментов полированных плит искусственного мрамора, применяемых для отделки пола и стен в зданиях общественного назначения; для получения штукатурных, кладочных растворов и легких бетонов.

 

Воздушная известь

Строительной воздушной известью называют продукт разложения при температуре 900 – 1200 °С кальциево-магниевых карбонатных горных пород (известняка - СаСО_з, доломита - СаСО_зхМgСО_з), содержащих не более 6 % глинистых и песчаных примесей. Основной объем извести получают по непрерывной технологии в шахтных печах во взвешенном «кипящем» слое, где мелкоизмельченное сырье и жидкое или газообразное топливо движутся противотоком, навстречу друг другу. Продуктом обжига является комовая негашеная известь – оксид кальция (СаО). Разложение известняка происходит по реакции СаСО_з = СаО + СО₂. Если в сырье имеются примеси карбоната магния, то его распад приводит к образованию оксида магния МgСО_з = МgО + СО₂. Полученную комовую известь впоследствие мелят или гасят, добавляя воду, в специальных аппаратах. Процесс гашения – гидратация протекает с большим выделением тепла, поэтому негашеную известь называют известью-кипелкой. По скорости гашения известь подразделяют на быстро гасящуюся – до 8 мин, среднегасящуюся – до 25 мин и медленногасящуюся – более 25 мин, по температуре гашения на низкоэкзотермичную (до 75 ^оС) и высокоэкзотермичную (более 75 ^оС).

В результате реакции СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q образуются мельчайшие, размером до 0,01 мм, кристаллы гидратной извести – пушонки Са(ОН)₂. Объем полученной извести увеличивается в 2 – 3 раза по сравнению с исходной. В строительстве используют как негашеную, так и гидратную известь в виде тонкодисперсного материала или известкового теста, полученного в результате гашения извести с большим расходом воды.

В соответствии с ГОСТ 9179-77 воздушную известь в зависимости от содержания примеси МgО классифицируют на кальциевую, магнезиальную и доломитовую. Для кальциевой извести содержание МgО не должно превышать 5 %, магнезиальной – 5 – 20 %, доломитной – 20 – 40 %. Наибольшей активностью обладает кальциевая известь. Качество извести оценивают по тонкости помола, определяемой по остаткам на ситах 02 и 008соответственно не более 1,5 и 15 %, температуре и времени гашения, содержанию активных окислов СаО + МgО (50 – 90 %) и наличию непогасившихся примесей, составляющих в зависимости от вида и сорта до 20 %. Непогасившиеся зерна по своей природе подразделяют на «недожог», «пережог» и инертные примеси (песок и др.). «Недожог» представляет собой зерна недообожженного сырья (СаСО₃), которые вследствие своей инертности по отношению к воде снижают активность извести. «Пережог» образуется при непосредственном контакте извести с теплоносителем, вызывающим оплавление частиц с поверхности. Наличие «пережога» приводит к появлению вздутий на отштукатуренной поверхности, так как прохождение реакции гидратации сопровождается увеличением температуры и объема в уже затвердевшем слое. Посовокупности свойств известь делят на сорта.

Чистое известковое тесто из-за сильной усадки при твердении растрескивается, поэтому к нему добавляют от двух до четырех частей по объему песка. Известь с песком образуют пластичный строительный раствор. Твердение известковых растворов на воздухе идет медленно и складывается из следующих одновременно протекающих процессов: испарения воды, кристаллизации гидрооксида кальция из пересыщенного водного раствора и карбонизации гидрооксида с образованием кальцита путем взаимодействия с углекислым газом воздуха. Происходит так называемое гидратно - карбонатное твердение. Прочность раствора через 28 суток составляет 0,5 – 1,0 МПа, через десятки и сотни лет за счет карбонизации –
5 – 7 МПа и более.

Воздушную известь используют для приготовления смешанных строительных растворов: известково-цементных, известково-глинистых, применяемых для каменной кладки и штукатурки, приготовления сухих строительных смесей, в качестве связующего вещества для малярных красочных составов и в производстве силикатных изделий. При обычных условиях химическое взаимодействие между песком и известью протекает медленно и не имеет практического значения. Автоклавная обработка в течение 12 часов, предусматривающая постепенное повышение температуры до 174,5 °С, давления до 0,9 МПа, создает условия для прохождения интенсивной реакции между компонентами с образованием кристаллических гидросиликатов кальция, придающих водостойкость и высокую прочность изделиям до 30 – 50 МПа. Таким образом получают силикатный кирпич, силикатные плотные и пористые бетоны. В качестве вяжущего для их изготовления используют тонкомолотую смесь, состоящую из извести (8 – 12 %) и кварцевого песка (88 – 92 %) (известково-кремнеземистое вяжущее). Вместо песка можно использовать золу, шлак и другие аналогичные минеральные отходы, содержащие кремнезем (SiO₂).

Силикатный кирпич и камни выпускают рядовыми и лицевыми; кирпич – полнотелым и пустотелым, камни – только пустотелыми
(СТБ 4.206-94). Размеры ихтакие же, как и у керамических изделий, максимальная марка по прочности 300, морозостойкости F50, водопоглощение не менее 6 %, средняя плотность 1800 – 1850 кг/м³. Условное обозначение изделий состоит из названия, марки по прочности и морозостойкости. Например, кирпич СУЛ-200/35 СТБ 1228-2000 – кирпич силикатный утолщенный лицевой марки по прочности 200, морозостойкости F35. Эти мелкоштучные материалы используют для возведения стен выше нулевой отметки. Нельзя применять силикатный кирпич для фундаментов, подвергающихся воздействию грунтовых и сточных вод, содержащих углекислоту, а также для кладки печей и дымовых труб, так как он обладает пониженной коррозионной стойкостью и не выдерживает длительное воздействие высокой температуры.

Из плотных силикатных мелкозернистых бетонов, выполняемых на кварцевом песке без крупного заполнителя, изготовляют крупноразмерные панели внутренних стен, перекрытия, балки, колонны.

Легкобетонные силикатные изделия и конструкции: стеновые блоки и панели, плиты покрытий и перекрытий изготавливают или с использованием пористых заполнителей, или путем создания ячеистой струк-туры за счет введения в бетонную смесь газо- и пенообразующих добавок (газосиликат и пеносиликат). В качестве вяжущего для их получения используют смешанные известковые, содержащие известь-кипелку, кремнезем или шлак в количестве до 50 % в сочетании с регулятором твердения – гипсом. Класс бетона по прочности на легком заполнителе в соответствии с СТ СЭВ 1406 от В05 до В15, марка по плотности от D300 до D1200, морозостойкости (в зависимости от назначения) от F15 до F100. Стеновые силикатные ячеистые блоки размером от 100х188х588 до 588х100х1200 мм применяют для кладки любых стен при отсутствии агрессивных сред и влажности помещений не более 60 %. Последнее ограничительное требование связано с возможностью коррозии арматуры. При увеличении влажности до 75 % необходима защита поверхности пароизоляционным покрытием. Марка по прочности блоков от В1 до В12,5, средней плотности от D350 до D1100. В зависимости от назначения блоки подразделяют на наружные (Н) с маркой по морозостойкости F50, 35, 25; внутренние (В); для выполнения перегородок (П) и внутренних стен подвалов (СП). В зависимости от точности размеров изделий их укладывают на раствор или специальный клей.

Получение водостойких материалов на основе воздушной извести возможно также за счет дополнительного введения шлаковых или пуццолановых добавок. При совместном помоле с целью замедления скорости гашения дополнительно вводят двуводный гипс в количестве 3 – 5 % от массы извести. Смешанные известково-пуццолановые и известково - шлаковые вяжущие твердеют во влажных условиях и обеспечивают водостойкость готовых изделий, т.е. являются гидравлическими. При их применении для изготовления низкомарочных бетонов и растворов необходимо учитывать такие свойства, как повышенные водо- и солестойкость, пониженную морозостойкость, а в случае известково-пуццоланового вяжущего – и воздухостойкость полученных материалов. Поэтому его используют в подводном и подземном строительстве. Известково-шлаковые вяжущие рациональнее применять при производстве изделий на заводе по пропарочной технологии, т.к. именно в этих условиях шлак значительно повышает свою химическую активность и полнее участвует в реакциях гидратации.