Воздушные вяжущие

Минеральные вяжущие вещества

Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластично-вязкое тесто, способное со временем самопроизвольно затвердевать в результате физико-химических процессов.

Все вяжущие вещества по составу делят на две группы:

- неорганические, которые затворяют водой (реже водными растворами солей);

- органические (битум, деготь, полимеры), которые переводят в рабочее состояние нагреванием, расплавлением или растворением в органических жидкостях.

Неорганические вяжущие в свою очередь делятся на 3 группы:

а) воздушные;

б) гидравлические;

в) вяжущие автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. По химическому составу они делятся на 4 группы:

1) известковые вяжущие, состоящие главным образом из оксида кальция;

2) магнезиальные вяжущие (каустический магнезит, каустический доломит), главной составляющей частью которых является оксид магния;

3) гипсовые вяжущие, основой которых является сульфат кальция;

4) жидкое стекло – силикат натрия или калия в виде водного раствора.

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность не только на воздухе, но и в воде.

По своему химическому составу они представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех оксидов: СаО, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Эти соединения образуют три основных группы вяжущих: силикатные цементы, состоящие преимущественно (на 75%) из силикатов Са; алюминатные цементы, вяжущей основной которых является алюминаты кальция – глиноземистый цемент; гидравлическая известь и романцемент.

Вяжущие автоклавного твердения – вещества, способные при автоклавном синтезе, происходящем в среде насыщенного водяного пара, затвердевать с образованием прочного цементного камня. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные и т.д.

Воздушные вяжущие

Гипсовые вяжущие вещества – воздушные вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса или ангидрита, получаемого при тепловой обработке природного гипсового камня с последующими помолом.

Гипсовые вяжущие вещества подразделяются в зависимости от температуры тепловой обработки на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся: строительный гипс, формовочный гипс, высокопрочный гипс.

Получение низкообжиговых гипсовых вяжущих основано на термической обработке природного двуводного гипса по реакции: CaSO₄ 2H₂O→CaSO₄ 0,5 H₂O + 1,5H₂O – Q.

Двуводный сульфат кальция начинает дегидратировать при t = 65⁰С. Этот процесс обратим, если своевременно не удалить пары воды. Однако при обычных условиях нагрева, в интервале температур 107-170⁰С, двуводный гипс сравнительно быстро разлагается на полугидрат и воду, теряя при этом ¾ кристаллической воды.

В зависимости от условий термической обработки могут получиться две модификации: α и β.

β-модификация образуется при разложении CaSO₄ 2H₂O при температуре 107-170⁰С в сухом воздухе, когда вода свободно удаляется в парообразном состоянии. Он обладает мелкокристаллической структурой.

α-модификация образуется при обработке двуводного гипса насыщенным паром, имеющим температуру не ниже 123-124⁰С в запарочных аппаратах под давлением 0,2 МПа, причем вода отделяется в жидком состоянии. α-гипс состоит из крупных кристаллов, имеющих вид прозрачных игл или призм, и поэтому имеет пониженную водопотребность, что в свою очередь значительно повышает прочность.

Строительный гипс получают при t = 140-170⁰С в варочных котлах или печах. Наиболее распространено получение строительного гипса β в варочных котлах. При данном способе получения гипса весь процесс можно разделить на 2 основных этапа: 1) подготовка сырья (дробление, помол, в некоторых случаях, если влажность высокая – сушка); 2) тепловая обработка. Длительность варки составляет 55-60 мин, а общий цикл работы 80 мин.

Высокопрочный гипс получают при термической обработке высококачественного гипсового камня в автоклавах при t = 1250С и давлении 0,2 МПа. Он состоит в основном из α-гипса CaSO₄ 0,5H₂O, более активный, чем β-модификация. Поэтому прочность высокопрочного гипса при сжатии 15-25 МПа, что значительно превышает прочность строительного гипса.

Формовочный гипс состоит в основном из β-модификации. Он содержит незначительное количество примесей и тонкоразмалывается.

Твердение гипсовых вяжущих

При затворении порошка гипса водой полуводный сульфат кальция начинает растворяться до образования насыщенного раствора и одновременно гидратироваться, присоединяя 1,5 молекулы воды по реакции: CaSO₄ 0,5H₂O + 1,5H₂O →CaSO₄ 2 H₂O + 133 кДж.

Растворимость двугидрата почти в 5 раз меньше растворимости полугидрата. В результате образующегося насыщения раствор полугидрата оказывается пересыщенным по отношению к двугидрату. Поэтому в обычных условиях не может существовать – из него выделяются частицы твердого вещества – двуводного сульфата кальция. По мере накопления частиц они склеиваются между собой, вызывая запустевание (схватывание) теста. Затем кристаллы начинают расти, увеличивается число контактов между кристаллами.

Быстрое схватывание гипса затрудняет его применение, поэтому возникает необходимость замедления схватывания при помощи добавок. Замедлители схватывания уменьшают скорость растворения полуводного гипса.

При необходимости ускорить твердение гипса вводят добавки ускорители (двуводный гипс, H2SO4, NaCl). Одни из них повышают растворимость полуводного гипса, а CaSO₄ 2H₂O является центром кристаллизации.

Твердение гипса можно ускорить сушкой при температуре не более 60⁰С во избежание обратной дегидратации.

Свойства низкообжиговых вяжущих

Основными характеристиками гипсовых вяжущих являются: сроки схватывания, тонкость помола, марка, водопотребность.

По срокам схватывания бывают: быстротвердеющие (начало схватывания - 2 мин, конец – не позднее 15 мин); нормальнотвердеющие (начало – не ранее 6 мин, конец – не позднее 30 мин); медленнотвердеющие (начало – не ранее 20 мин, конец -).

По степени помола различают: грубого, среднего, тонкого помола с минимальным остатком на сите 002 не более 23, 14, 2% соответственно.

Марка гипсовых вяжущих характеризуется пределом прочности при растяжении и сжатии половинок балочек размером 4*4*16 см в возрасте 2 ч, изготовленных из теста нормальной густоты. Марки бывают Г2-Г7, Г10, Г13, Г16, Г19, Г22, Г25.

Нормальная густота определяется количеством воды, при котором тесто будет иметь расплыв 150 мм на приборе Суттарда. Для β-гипса 60-80%, для α-гипса 40-45%.

Применение. Вследствие высокой пористости изделия из гипса имеют низкую теплопроводность. В отличие от ряда других вяжущих гипс увеличивается в объеме на 1%, что является ценным свойством при изготовлении деталей отливкой в формы. Гипсовые вяжущие не являются водостойкими, поэтому применяют их в сухих помещениях или защищают от воздействия оксидов.

К высокообжиговым гипсовым вяжущим относятся ангидрит и высокообжиговый гипс (эстрих-гипс).

Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипсового камня при t = 600-700⁰С с последующим измельчением продукта обжига совместно с добавками-катализаторами. При t > 450⁰С получают так называемый «намертво обожженный гипс», т.е. безводный нерастворимый ангидрит CaSO₄. Т.к. этот продукт не растворяется в воде, то он самостоятельно не проявляет вяжущих свойств. Однако в присутствии некоторых веществ – катализаторов (извести 1-5%, железный или медный купорос 0,5-1%, доломит, обожженный при t = 800-900⁰С 3-8%, основной гран. шлак 10-15%) ангидрит оживает и приобретает вяжущие свойства высокой активности от 5 до 20 МПа.

Применяют для приготовления растворов, искусственного мрамора.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают при нагреве природного гипса до 800-1000⁰С в печах. При такой температуре происходит частичная диссоциация CaSO₄:

2CaSO₄ → 2CaO + 2SO₂ + O₂.

Небольшое количество СаО в составе вяжущего играет роль катализатора.

Высокообжиговый гипс медленно твердеет, но водостойкость и прочность при сжатии (10-20 МПа) позволяет успешно использовать при устройстве мозаичных полов.

Строительная известь получают обжигом (до удаления углекислоты) кальциево-магниевых горных пород – мела, известняка во вращающихся или шахтных печах при t = 900-1000⁰С.

Воздушную известь подразделяют на негашеную и гидратную (гашеную).

Негашеную известь делят на: комовую (кипелку) и молотую.

Гашеная подразделяется: известь пушонка, известковое тесто, известковое молоко.

Известь комовая по скорости гашения бывает:

- быстрогасящаяся – не более 8 мин;

- среднегасящаяся – не более 25 мин;

- медленногасящаяся – более 25 мин.

По тепловыделению: низкоизотермическая t < 70⁰С, высокоизотермическая t > 70⁰С.

По содержанию активных CaO + MgO и по содержанию непогасившихся остатков известь делится на 3 сорта:

I сорт - CaO + MgO_АКТ 90%, непогасившийся остаток 7%;

II сорт - CaO + MgO_АКТ 80%, непогасившийся остаток 11%;

III сорт - CaO + MgO_АКТ 70%, непогасившийся остаток 14%;

Непогасившиеся зерна представлены пережогом и недожогом.

Пережог – остеклованная CaO медленно реагирующая с водой при попадании в раствор, пережог, гидратируясь после затвердевания, разрушает камень.

Недожог – это неразложившийся известняк и песок. Наличие недожога ухудшает пластичность раствора, выход теста уменьшается.

Для устранения недостатка, вызванного недожогом, комовую известь стали подвергать помолу.

Молотая негашеная известь применяется без предварительного гашения, что дает ряд преимуществ: исключаются отходы в виде непогасившихся зерен; используется тепло, выделяющееся при гидратации, что ускоряет процессы твердения; изделия обладают большей прочностью, плотностью, водостойкостью.

Недостатки: хранить можно не более 10-15 сут. в сухих складах во избежание потери активности; опасна для здоровья при попадании в легкие, глаза, слизистую оболочку носа и т.д.; при работе с ней необходимо строго соблюдать требования ТБ.

Гидратная известь подразделяется на: пушонку, тесто и молоко, которые получается в результате гашения извести разным количеством воды. При гидратации вода, попадая в поры и вступая в химическую реакцию, превращается в пар и разрывает частицы извести на порошок.

Пушонка – твердое вещество по химическому составу Ca(OH)₂, на ее образование необходимо в 2-3 раза больше воды, чем на химическую реакцию – 32%.

Тесто – воды необходимо больше, чем на пушонку в 2-3 раза.

Молоко – в 2-3 раза больше воды, чем на тесто.

Гидратная известь применяется для приготовления растворов, красок, бетонов и т.д.

Твердение извести

Твердение может происходить только в воздушно сухих условиях. Процесс твердения протекает по следующей схеме:

1) в процессе испарения воды с поверхности происходит перенасыщение раствора, и начинается рост кристаллов Ca(OH)₂, с ростом кристаллов происходит увеличение числа контактов между частицами, и прочность повышается;

2) происходит карбонизация гидроксида кальция углекислотой воздуха, углекислый газ, растворяясь в водных пленках, переходит в угольную кислоту и вступает в реакцию с Ca(OH)₂, для этого необходима влажность в помещении:

Ca(OH)₂ + H₂O + CO₂ → CaCO₃ + H₂O.

При карбонизации повышается прочность камня и его стойкость.

Гидросиликатное твердение может происходить по двум схемам: с кристаллическим SiO₂ и аморфным SiO₂ nH₂O.

1) с кристаллическим SiO₂ реакция в обычных условиях протекает очень медленно и поэтому можно считать, что твердения не происходит. В автоклаве при t = 175-200⁰С и Р = 0,8-10 МПа вода находится в жидком состоянии, в ней растворяется SiO₂ и при этом реагирует с Ca(OH)₂: SiO₂ + Ca(OH)₂ → CSH (гидросиликат кальция).

2) с аморфным SiO₂ nH₂O гидроксид кальция реагирует в обычных условиях аналогично твердению гипса: Ca(OH)₂ + SiO₂ nH₂O → CSH.

В зависимости от содержания основного оксида извести бывает: кальциевая, магнезиальная и доломитовая: MgO 5%, MgO 20%, MgO 40% соответственно.

Поиск по сайту: