Тема: Минеральные вяжущие вещества

Определение и классификация

Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, способные при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое под влиянием физико-химических процессов, постепенно затвердевая, приобретает камневидное состояние. Это свойство вяжущих веществ широко используют для изготовления строительных растворов, бетонов и для производства безобжиговых искусственных каменных материалов изделий.

В зависимости от способности твердеть и сохранить прочность на воздухе или в воде минеральные вяжущие вещества подразделяют на две группы: воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества твердеют, сохраняют или повышают прочность только на воздухе (строительный гипс, воздушная известь и др.)

Гидравлические вяжущие вещества обладают этими свойствами не только на воздухе, но и в воде. К этой группе относят портландцемент, пуццолановые цементы, шлаковые и др.

Добавки к вяжущим веществам

В целях экономии вяжущих веществ, снижения их стоимости, а также для придания готовому продукту определенных свойств в вяжущие вещества вводят различные добавки.

Добавки тщательно смешивают с вяжущим веществом или совместным их помолом.

По назначению добавки классифицируют на несколько групп:

• Активные минеральные добавки – такие как трепел, пемза, зола, шлаки и др., которые после смешивания с воздушной известью придают ей способность к гидравлическому твердению.

• Наполнители инертные добавляют к вяжущим веществам в целях экономии, но при условии получения материала требуемой прочности.

Воздушные вязнущие вещества

Свойством твердеть на воздухе обладают вещества, состоящие в основном из сернокислого кальция, окиси кальция или окиси магния.

В связи с этим все виды воздушных вяжущих веществ разделяют на следующие группы: гипсовые, известковые и магнезиальные вяжущие.

К воздушным вяжущим относят также растворимое стекло.

Гипсовые вяжущие вещества

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служит природный двуводный гипс ( ).

Получение гипсовых вяжущих основано на способности при нагревании полностью или частично дегидротироваться. Получаемые при этом продукты и , а при известных условиях ангидрит обладает свойством схватываться (отвердевать) при заливании их водой.

По условиям обжига, а также по скорости схватывания и твердения гипсовые вяжущие вещества делят на две группы – низко- и высокообжиговые.

Низкообжиговые вяжущие вещества – быстросхватывающиеся и быстротвердеющие, состоящие из полуводного сульфата кальция ( ). К низкообжиговым гипсовым вяжущим относят строительный алебастр и высокопрочный гипс.

Высокообжиговые вяжущие вещества – медленно схватывающиеся и медленно твердеющие, в состав которых в основном входит безводный сульфат кальция ( ). К ним относятся – ангидритовый цемент и эстрих гипс.

Гипс строительный. Строительным гипсом называют воздушное вяжущее вещество, получаемое в результате обработки природного гипсового камня.

Основным процессом производства строительного гипса (алебастра) является дегидратация (обезвоживание) двуводного гипса. Химический состав двуводного гипса состоит из следующих окислов: – 32,6 %, – 46,5 % и – 20,9 %. При нагревании двуводного гипса в интервале температур 140–170 ºС. Двуводный гипс быстро разлагается на полуводный гипс и воду по реакции:

При получении строительного гипса необходимо строго следить за температурой обжига сырья, так как при температуре 200 °С двуводный гипс полностью отделяет кристаллизационную воду и постепенно переходит в безводный гипс – растворимый ангидрит.

Высокопрочный гипс получают запаркой гипсового камня в специальных герметически закрывающихся котлах – автоклавах, при температуре пара 125 °С. В результате испарения влаги из гипсового камня в автоклаве создаётся давление пара 1,3 атм., которое приводит к образованию более крупных кристаллов водного гипса альфа-модификации, в отличие от кристаллов бета-модификации гипса, полученных при атмосферном давлении.

При твердении полуводный гипс растворяется в воде и гидратируется (присоединяет воду) и превращается снова в двуводный гипс по реакциям:

Гипс обладает малой прочностью – до 5,5 МПа. Сроки схватывания – 4–6 минут. При твердении гипсовое тесто увеличивается в объеме до 1 %.

Воздушная известь

Воздушной известью называют вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом, не доводимым до спекания карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника, доломита и др.) По виду, содержащегося в воздушной извести основного окисла, она может быть: кальциевой, магнезиальной, доломитовой.

Производство извести

Процесс производства извести заключается в подготовке (дроблении) и обжига сырья. При обычном атмосферном давлении уже при температуре около 900 ºС происходит диссоциация углекислого кальция, содержащегося в известняке, на окись кальция и углекислый газ по реакции:

или .

Эта реакция происходит с поглощением тепла:

На разложение 1 грамм-молекулы (100 гр.) расходуется 42,5 ккал. Учитывая, что реакция является обратимой и при изменении условий обжига (понижении температуры или повышении парциального давления углекислого газа) может пойти в обратном направлении. Обжиг сырья ведется при температуре 1000–1200 °С с удалением . Сырьё в кусках размером 5–10 см послойно с топливом загружается сверху в шахту печи специальным загрузочным устройством и в начале движения вниз (в зоне подогрева) обогревается отходящими горячими газами. В средней части печи (в зоне обжига) происходит разложение углекислого газа и образование извести-кипелки. Куски извести постепенно опускаются в нижнюю часть печи (зону охлаждения). Здесь известь охлаждается воздухом, поступающим в печь через специальный патрубок, а затем сгружают и отправляют на склад.

Негашеная известь – после обжига известняк имеет вид кусков, вследствие чего его называют комовой. Значительно снижает качество комовой извести наличие в ней недожог и пережог.

Комовую известь измельчают в порошок и добавляют воду 100–150 % от веса и гасят (гашеная известь).

Гашеная известь. Процесс гашения извести происходит по реакции:

Реакция гашения извести протекает бурно, с большим выделением тепла – 15,5 ккал. на грамм-молекулу или 277 ккал. на 1 кг извести. Вода, проникая в глубину известковых зерен, вступает в химическое взаимодействие с и выделяющееся при этом тепло превращает воду в пар. Так как переход воды в пар сопровождается увеличением объёма, создаются внутренние растягивающие напряжения в зернах извести, приводящие их к измельчению в тонкий порошок.

В зависимости от количества воды, взятой на гашение извести, получается известь-пушонка, или известковое тесто.

Известь гидратная (пушонка) представляет собой тонкодисперсный порошок белого цвета с удельным (объёмным) весом 4–6 кН/м³.

Для получения пушонки воды берут 70–100 % от веса негашеной извести в зависимости от степени обжига, состава, качества извести и способа гашения.

Известь гасят в пушонку в основном на заводах в лопастном гидраторе.

Известковое тесто получается в том случае, если воды берут в 3–4 раза больше, чем извести-кипелки.

Твердение извести

Гашеная известь твердеет в результате испарения воды и кристаллизации гидроокиси кальция. Вследствие потери влаги мельчайшие частицы .

Сближаясь между собой, образуют кристаллы, которые постепенно превращаются в прочный кристаллический сросток.

Упрочнению известкового теста способствует также карбонизация – процесс взаимодействия гидрата окиси кальция с углекислым газом, который всегда содержится в воздухе в небольших количествах (около 0,035):

В результате этой химической реакции гидроокись кальция переходит в углекислый кальций, то есть образуется снова тоже вещество, которое было использовано для получения извести.

Твердеет гашеная известь очень медленно, и прочность растворов невысокая.