Тема 4.1. Минеральные вяжущие материалы
Общие сведения
Вяжущими веществами называют материалы, способные в определённых условиях (при смешивании с водой, нагревании и др.) образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определённых факторов со временем затвердевает.
Современные вяжущие вещества в зависимости от состава делят на:
· Неорганические (известь, цемент, гипсовые вяжущие и др.), которые для перевода в рабочее состояние затворяют водой (реже водными растворами солей);
· Органические (битумы, дёгти, синтетические полимеры и олигомеры), которые переводят в рабочее состояние нагревом, с помощью органических растворителей или сами они представляют собой вязкопластичные жидкости.
В строительстве в основном используют неорганические (минеральные) вяжущие вещества.
Минеральными вяжущими материаламиназывают порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное твердеть, превращаясь в камневидное тело высокой прочности. Исключение составляют магнезиальные вяжущие, которые затворяются водными растворами солей.
По условию твердения и эксплуатации готовых изделий минеральные вяжущие подразделяют на воздушные (гипс, известь, магнезиальные вяжущие, жидкое стекло), эксплуатируемые только в воздушно-сухих условиях, гидравлические (гидравлическая известь, смешанные гипсовые и известковые вяжущие, разновидности портландцемента, специальные виды цемента), обеспечивающие искусственному камню водостойкость, а также вяжущие автоклавного твердения (известково-песчаное вяжущее), которые приобретают прочность и водостойкость при твердении при повышенных температурах и давлении паровой среды (гидротермальные условия -9…16 атм и 175…250°С).
Технология получения минеральных вяжущих включает добычу природного сырья, его очистку, помол, термообработку и помол готового продукта.
К общим свойствам минеральных вяжущих можно отнести:
• порошкообразное агрегатное состояние (за исключением жидкого стекла);
•высокую химическую активность по отношению к воде, реакция взаимодействия с которой сопровождается выделением тепла;
• способность образовывать с водой однородную клеящую массу, переходящую в искусственный камень.
Тема 4.2. Воздушные вяжущие
К воздушным минеральным вяжущим относятся вещества, продукты гидратации которых обладают низкой водостойкостью, особенно по отношению к действию проточной воды. Это простые по составу материалы, как правило, интенсивно взаимодействующие с водой.
Воздушную известь получают из таких кальциевых карбонатных пород, как известняк (СаС03) и доломит (СаС03 • MgC03), содержащих не более 6 % глинистых примесей. Их обжигают при температуре 900…1100 °С они разлагаются с выделением углекислого газа. Продукт обжига — оксид кальция (СаО) и является воздушной известью, которую за высокое тепловыделение при гидратации (гашении) называют известъю-кипелкой.
На воздухе при затворении водой образуются кристаллы гидрооксида кальция Са(ОН)2, а за счет их реакции с углекислым газом воздуха — кальцита СаС03, которые обеспечивают прочность известковому камню (1...7 МПа).
Качество извести оценивают по следующим показателям:
• тонкость помола — остаток на ситах должен быть не более 1,5 % (02) и 15 % (008);
• содержание химически активных по отношению к воде компонентов СаО и MgO — активной примеси (50-90 %);
• температура и время гашения извести;
• содержание примесей.
В зависимости от содержания примеси MgO и, следовательно, химической активности известь подразделяют на кальциевую (содержащую MgO до 5 %), магнезиальную (5...20 %) и доломитовую (20...40 %); по времени гашения — быстро гасящуюся (до 8 мин), средне гасящуюся (до 25 мин) и медленно гасящуюся (более 25 мин); по максимальной температуре гашения — низкоэкзотермическую (до 75 °С) и высокоэкзотермическую (более 75 °С).
Примесями в извести являются зерна недообожженного сырья (СаС03) — «недожог» и оплавленные с поверхности зерна СаО — «пережог». Первые снижают активность и качество извести, а вторые вызывают появление «дутиков» - вздутий и трещин на оштукатуренной поверхности, так как замедленный процесс гашения, сопровождаемый ростом температуры, увеличением объема и, следовательно, возникновением деформаций, происходит в уже затвердевшем составе.
В строительстве известь используют для получения красочных составов, штукатурных и кладочных сложных растворов. С целью повышения водостойкости изделий и расширения области их использования на основе извести получают смешанные гидравлические известковые вяжущие: известково-пуццолановые, известково-шлаковые и известково-кремнеземистые. В известково-пуццолановые и известково-шлаковые, кроме пуццолановых (опока, диатомит и шлаковых добавок), для регулирования сроков схватывания вводят до 5 % гипса. На их основе производят низкомарочные бетоны для подводного и подземного бетонирования. Это связано с их низкой морозостойкостью, а в случае пуццолановой добавки — и воздухостойкостью. Известково-шлаковое вяжущее более эффективно при изготовлении заводских изделий по пропарочной технологии, так как в этом случае в процессе гидратации участвует и шлаковая составляющая.
Наиболее широкое применение нашли известково-кремнеземистые вяжущие, на основе которых по автоклавной технологии (давление до 1,6 МПа, температура до 203 °С) получают силикатные изделия: стеновые мелкоштучные материалы (кирпичи, камни, аналогичные по размерам и форме керамическим), плотные бетоны для несущих конструкций (плит перекрытий, колонн и т.д.) и высокопористые ячеистые блоки (за счёт введения пено- и газообразующих добавок), которые, в зависимости от средней плотности, могут применяться для возведения ограждающих конструкций или получения изделий теплоизоляционного и акустического назначения.
При использовании силикатных изделий учитывают их пониженную водо-, термо- и коррозионную стойкость.
Гипсовые вяжущие. Технология получения и использование гипсовых вяжущих основаны на способности сырья — природного гипса (CaS04 • 2Н20) — легко отдавать кристаллизационную воду уже при 123 °С и переходить в химически активное по отношению к воде состояние (CaS04 • 0,5Н2О). Из химически активного гипса за счёт реакции гидратации и присоединения кристаллизационной воды получают искусственный гипсовый камень (CaS04 х 2Н20).
Строительный гипс представляет собой мелкокристаллический материал, требующий для получения гипсового теста определённой пластичности от 50 до 70 % воды. Для высокопрочного крупнокристаллического гипса, полученного в автоклавах при температуре 123°С, количество воды сокращается до 30...50 %. В связи с тем, что на реакцию гидратации расходуется до 19 % воды, прочность камня на основе высокопрочного гипса вследствие более высокой плотности составляет 30...40 МПа, а строительного гипса — до 25 МПа. Максимальная прочность гипсового камня определяется водогипсовым отношением (В/Г), которое зависит от размера и формы кристаллов минерального вяжущего.
Качество гипсовых вяжущих оценивают по тонкости помола, срокам схватывания и прочности. Сроки схватывания являются временным показателем, фиксирующим процесс загустевания гипсового теста определённой пластичности (нормальной густоты) с подобранным расходом воды — начало схватывания — и образования гипсового камня — конец схватывания. При соответствии этих значений требованиям стандарта, по пределу прочности на сжатие (МПа) с учётом прочности на изгиб образцов, твердевших два часа в воздушно-сухих условиях, вяжущему присуждают марку.
В зависимости от требуемых свойств готового продукта сырье подвергают термообработке при температуре 123... 160°С, получая полуводные низкообжиговые вяжущие (CaS04 ■ 0,5Н2О): строительный и высокопрочный гипс — или при 600... 1000 °С — безводные (CaS04) высокообжиговые вяжущие: ангидритовый цемент и эстрихгипс.
Низкообжиговые вяжущие характеризуются быстрым набором прочности, низкой водостойкостью.
Наиболее широкое применение в строительстве нашел строительный гипс, на основе которого по прокатной технологии изготавливают гипсоволокнистые (ГВЛ) и гипсокартонные (ГКЛ) листы, используемые в качестве отделочного листового материала для выравнивания стен (сухая штукатурка), выполнения потолков и модульных трансформируемых каркасных перегородок. Использование листового картона с внутренним слоем из гипсового камня (ГКЛ) или дисперсное (мелковолокнистое) армирование гипсового камня по всему объёму волокнами растительного происхождения (ГВЛ) обеспечивают гвоздимость и снижают хрупкость изделий. В зависимости от условий эксплуатации помещения применяют влагостойкие (ГКЛВ), огнестойкие (ГКЛО) и влагоогнестойкие (ГКЛВО) листовые материалы, получаемые путём введения добавок и использования декоративных плёночных покрытий.
Высокая пористость гипсовых изделий и способность очень точно воспроизводить форму и рельефный рисунок за счёт расширения при твердении на 1 % обусловили применение гипса для получения акустических (звукопоглощающих) и архитектурно-художественных изделий.
К достоинствам гипсового камня, содержащего кристаллизационную воду, относится высокая огнестойкость. Это свойство обусловило его использование при производстве огнезащитных плит и строительных растворов. Кроме того, применение гипсовых изделий в жилищном строительстве обеспечивает создание комфортных условий проживания, связанных с высокой гигроскопичностью и способностью гипсового камня регулировать влажность воздуха в помещении за счёт её поглощения или отдачи.
Для повышения водостойкости гипсовых изделий увеличивают их плотность, полируют лицевую поверхность или обрабатывают её пленкозащитными и гидрофобными смесями, а также изменяют состав вяжущего за счёт дополнительного введения тонкомолотых гидравлических добавок искусственного или природного происхождения (портландцемента, доменного шлака, зол, природных пуццоланов). Полученные смешанные гипсовые вяжущие: гипсоцементно-шлаковые (ГЦШВ) и гипсоцементно-пуццолановые (ГЦПВ) — приобретают свойства гидравлических вяжущих, а изделия на их основе — повышенную водостойкость (коэффициент размягчения не ниже 0,65), пониженные морозо- и воздухостойкость. Это обуславливает их применение, аналогичное высокопрочному гипсу, при изготовлении санитарно-технических кабин, монолитных полов в общественных зданиях и на предприятиях лёгкой промышленности с обработкой поверхности составами, повышающими водостойкость и износостойкость покрытия.
Высокообжиговые гипсовые вяжущие обладают пониженной химической активностью, медленным схватыванием, повышенной водостойкостью, прочностью до 20 МПа. Для ускорения процесса твердения в ангидритовый цемент, полученный при температуре 600...700°С, вводят известь.
При температуре 900... 1000°С безводный сульфат кальция частично разлагается на оксид кальция (СаО) и серный газ (S03), следовательно, выпускаемый эстрихгипс представляет собой двухкомпонентный продукт, состоящий из смеси CaS04 и СаО. Основное назначение этих вяжущих — выполнение монолитных или мозаичных (в сочетании с плитами из горных пород) полов; изготовление путем введения в состав смеси пигментов полированных плит искусственного мрамора, применяемых для отделки пола и стен в зданиях общественного назначения; получение штукатурных, кладочных растворов и легких бетонов.
Магнезиальные воздушные вяжущие: каустический магнезит (MgO) и каустический доломит (MgO + СаС03) — получают путём термообработки магнезита (MgC03) или доломита (MgG03 • СаС03) при температуре 700...800°С. В связи с их невысокой химической активностью по отношению к воде, при получении изделий для ускорения процесса гидратации используют растворы солей (MgCl2, MgS04).
Контролируемыми показателями качества являются: тонкость помола, сроки схватывания, марка по прочности. Прочность на сжатие каустического магнезита составляет 40...60 МПа, каустического доломита — 10...30 МПа. Снижение активности последнего объясняется присутствием неразложившегося при термообработке инертного по отношению к воде кальцита.
Наиболее широко эти вяжущие применяют в сочетании с древесными отходами разной степени измельчения для выполнения тёплых огнестойких монолитных полов на предприятиях лёгкой промышленности, а также для изготовления ксилолитовых крупноразмерных плит, которые в зависимости от состава и степени уплотнения могут быть использованы в качестве внутренних перегородок или теплоизоляции строительных конструкций.
Жидкое стекло представляет собой водный раствор силиката калия (Si02 • К20) или натрия (Si02 • Na20), полученный в автоклаве в результате воздействия насыщенного водяного пара на продукт сплавления кремнезёма (Si02) с карбонатом калия (натрия) или сульфатом натрия (калия) при температуре 1300... 1400 °С.
Вяжущие свойства раствора оценивают плотностью, вязкостью и модулем стекла (2,6...4,0), который равен отношению числа грамм-молекул кремнезёма к одному грамм-молю оксида калия или натрия. С увеличением модуля клеящие свойства раствора и стойкость изделий к кислотам повышаются.
На основе жидкого стекла получают многокомпонентное воздушное вяжущее специального назначения — кислотостойкий цемент, в состав которого дополнительно входят тонкомолотый кислотостойкий наполнитель (кварцевый, базальтовый, андезитовый) и добавка — ускоритель твердения (кремнефтористый натрий). Из него изготавливают кислотостойкие бетонные конструкции (с пластиковой арматурой). Термостойкость до 1000°С и огнестойкость позволяют применять составы на основе этого вяжущего для производства огнезащитных и жаростойких растворов и бетонов.
Жидкое стекло является также основой для силикатных красок, кислотостойких мастик и составов, используемых с целью уплотнения и укрепления (силикатизации) грунтов на строительных площадках.