Дослід 5. Вплив хімічних добавок на швидкість твердіння гіпсу
Швидкість твердіння гіпсу визначають на приладі ’’Віка’’. Готують гіпсове тісто. Для цього в чисту чашку наливають 120 мл води, потім у воду протягом 2-5 сек. всипають 200 г гіпсового в’яжучого. Масу перемішують ручною мішалкою протягом 30 сек., починаючи відлік часу від початку всипання гіпсового в’яжучого у воду. Одержане тісто виливають у кільце приладу ’’Віка’’, встановлене на полірованій пластинці. Надлишки тіста зрізають лінійкою й заповнену форму на пластинці кладуть на основу приладу ’’Віка’’. Рухому частину приладу з голкою вставляють у таке положення, при якому кінець голки торкається поверхні гіпсового тіста, а потім голку вільно опускають у кільце з тістом. Занурюють один раз у 30 сек., починаючи з цілого числа хвилин. Після кожного занурення голку ретельно витирають, а пластину разом з кільцем пересувають так, щоб голка при новому занурені попадала в інше місце поверхні тіста. Кінець тужавіння визначають як кількість хвилин, що минули від моменту сполучення в’яжучого з водою до того часу, коли вільно опущена голка занурюється на глибину не більш ніж 1 мм.
Готують другу порцію гіпсового тіста, попередньо розчинивши у відміряній воді 4 г сульфату натрію Na2SO4. Як і в першому досліді, визначають кінець тужавіння гіпсового в’яжучого.
Третю порцію готують аналогічно першій, але у воду додають органічні добавки: мило, столярний клей чи спирт (0,1-1% маси гіпсу). Спостерігають зміну швидкості тужавіння гіпсу.
Дані спостережень заносять до таблиці.
| №№ п/п | Маса гіпсу, г | Об’єм води, мл | Назва добавки | Час кінця тужавіння | Примітка |
| 1. | - | Контрольний зразок | |||
| 2. | Na2SO4 | ||||
| 3. |
Роблять висновок про вплив добавок на швидкість тужавіння гіпсового в’яжучого.
Дослід 6. Взаємодія клінкерних мінералів портландцементу
З водою
Наважку портландцементу масою 1-2 г вносять у пробірку, наливають воду, перемішують і додають 2-3 краплі фенолфталеїну. Складають рівняння реакції взаємодії клінкерних мінералів з водою і визначають причину появи малинового забарвлення розчину.
МЕТОДИЧНІ ПОРАДИ
Мінеральні в’яжучі речовини – тонкодисперсні матеріали, які при змішувані з водою утворюють пластичне тісто, яке тужавіє, твердіє і з часом набуває міцності каменю.
В’яжучі діляться на повітряні та гідравлічні.
Повітряні можуть твердіти на повітрі. До них відносяться повітряне вапно, гіпс будівельний, магнезіальний цемент.
Гідравлічні можуть твердіти і зберігати міцність не тільки на повітрі, але й у воді. До гідравлічних в’яжучих відносяться силікатні і алюмінатні цементи.
Вапно отримують випаленням вапняку СаСО3 при 110-1200оС.
CaCO3 
CaO + CO2↑
Процесс термічної дисоціації вапняку починається вже при 900оС, коли тиск, який створюється СО2, стає рівним атмосферному. Не дивлячись на те, що з підвищенням температури швидкість хімічної реакції зростає і, керуючись другим законом термодинаміки, зменшуються витрати палива, процес ведуть не виходячи за межі 1200 оС, тому що негашене вапно СаО може реагувати з домішками, які завжди присутні у вихідному матеріалі СаСО3, а це веде до зменшення виходу готової продукції та продуктивності праці.
Будівельне гашене вапно отримують взаємодією СаО з водою:
CaO + H2O = Ca(OH)2 ∆Ho238 = –65,3 кдж/моль.
Гідроксид кальцію, що утворюється, є найдешевшою і найуживанішою у техніці сильною основою. Гідроксид кальцію широко застосовують у будівництві у вигляді так званого вапняного розчину як в’яжучий матеріал.
Вапняний розчин зазвичай готують змішуванням 1 мас. ч. вапна Са(ОН)2 з 3-4 мас.ч. піску, після чого при перемішуванні додають воду до утворення тістоподібної маси. Така маса поступово твердіє внаслідок утворення кристалогідрату кальцію Са(ОН)2∙Н2О, кристалічного СаСО3 внаслідок взаємодії вапна з вуглекислим газом повітря і реакції між Са(ОН)2 і SiO2.
Широко вживаним в будівництві є портландський цемент.
Цемент виробляють штучно прожарюванням суміші СаСО3 (вапняк, крейда), глини і колчеданових огарків Fe2O3. Співвідношення вапняк – глина складає 3:1. Де це можливо, використовують мергелі (природна суміш вапняку і глини).
За температури близько 1450 оС на виході з обертової циліндричної печі одержують частково сплавлену масу – клінкер, який після миттєвого охолодження (режим охолодження впливає на структуру клінкеру) подрібнюють і тонко розмелюють.
Клінкер складається із суміші різних силікатів, але переважно:
3CaO∙SiO2 – аліт (трикальцієвий силікат);
2CaO∙SiO2 – беліт (двокальцієвий силікат);
3CaO∙Al2O3 – (трикальцієвий алюмінат)
4CaO∙Al2O3 ∙ Fe2O3 – целіт (чотирикальцієвий алюмоферит), які, залежно від вимог виробництва, знаходяться у контрольованому співвідношенні.
Склад цементів виражають співвідношенням вмісту оксиду СаО до сумарного вмісту оксидів SiO2 , Al2O3, Fe2O3. Масове співвідношення цих оксидів називають гідравлічним модулем. Для силікатного цементу він наближається до 2.
При замішуванні з водою цемент утворює масу, яка упродовж короткого періоду часу тужавіє, твердіє, набираючи міцності.
Цей процес зумовлений в основному утворенням кристалогідратів, кристали яких, переплітаючись, утворюють тверду кам’яну масу, а також частковою поверхневою взаємодією Са(ОН)2, SiO2, СО2.
При взаємодії аліту з водою відбуваються процеси гідратації (приєднання води) і гідролізу з виділенням Са(ОН)2:
3CaO∙SiO2 + (n+1)H2O = 2CaO∙SiO2 ∙ n H2O + Ca(OH)2.
Реакцію взаємодії трикальцієвого алюмінату з водою можна подати так: 3CaO∙Al2O3+6H2O = 3CaO∙Al2O3∙6H2O.
Двокальцієвий силікат взаємодіє з водою таким чином:
3CaO∙SiO2 + nH2O = 2CaO ∙SiO2 ∙ nH2O.
Процес гідратації силіту відбувається повільно, і за звичайних умов на це потрібно 5-6 років.
Трикальцієвий алюмінат, навпаки, надто швидко взаємодіє з водою. Через декілька годин бетон тужавіє і його використання стає неможливим. Вже за добу ступінь гідратації трикальцієвого алюмінату становить більше 70%.
Для запобігання цьому ще на стадії помелу до клінкеру додають природний гіпс. А вже на виробництві при додаванні води утворюється сполука з низькими механічними властивостями – гідросульфоалюмінат кальцію: 3CaO∙Al2O3 + 3CaSO4 + 31 H2O = 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙31H2O.
Лише через декілька годин, після використання всього гіпсу, процес повертається до утворення 3CaO∙Al2O3∙6H2O і розчин починає тужавіти, а це достатньо для перевезення бетону і подальшого його використання на будмайданчику.
Процес взаємодії целіту з водою, можна вважати, відбувається за схемою: 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 + nH2O = 3CaO∙Al2O3∙6H2O + CaO∙Fe2O3∙7H2O.
Реакція іде прискорено, і вже за 3 доби ступінь гідратації складає 50-70%.
Перетворення цементного тіста на штучний камінь супроводжується хімічними процесами і фізичними явищами між цементом і водою. Спочатку відбувається підготовчий процес, коли продукти реакції клінкерних мінералів частково розчиняються у воді і утворюється пересичений розчин. Потім наступає період колоїдизації. З пересиченого розчину випадають кристали за розміром колоїдних часток і утворюється просторова структура. І на завершення наступає період кристалізації – малі кристали продуктів реакції розчиняються, і за рахунок цього утворюються великі кристали, які зростаються між собою.
Цементний камінь бетонних споруд і виробів не інертний до навколишнього середовища – він руйнується. Процес руйнації зветься корозією.
Причиною руйнування можуть бути фізичні, біологічні і хімічні фактори: вібрація, механічні удари, зміна температури, дія бактерій, дія агресивних середовищ.
Залежно від характеру дії агресивного середовища розглядають три види корозії бетону:
1) розчинення складових речовин бетону і видалення їх у навколишнє середовище;
2) утворення за рахунок хімічних реакцій між бетоном і агресивним середовищем нових речовин, які за своєю природою не є в’яжучими;
3) утворення в затверділому бетоні сполук, які збільшуються в об’ємі, що приводить до виникнення внутрішніх напруг.
Такий поділ корозії на види взагалі є умовним. Практично бетон часто підлягає корозійним діям одночасно різних видів. Якщо бетон використовують в умовах м’якої води, то можливе вилуговування Са(ОН)2. Підвищення тимчасової твердості води значно гальмує руйнування бетону, тому що в капілярах і порах накопичується карбонат кальцію, який ущільнює бетон:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3↓ + 2H2O.
Вуглекислотна корозія – різновид кислотної корозії бетону. Вона відноситься до другого виду і зростає з підвищенням вмісту вуглекислого газу у воді:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O;
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2.
Міцність бетону погіршується також, якщо споруда знаходиться у воді, насиченій солями магнію (магнезіальна корозія):
MgSO4 + Ca(OH)2↓ = Mg(OH)2↓ + Ca SO4
MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2↓
Гідроксид магнію не має в’яжучих властивостей. Його структура пухка і прониклива для води.
Хлорид кальцію, як розчинна сіль, легко вимивається. Присутність CaCl2 небажана і з іншого боку. Вона збільшує розчинність гідроксиду кальцію.
Сульфатна корозія належить до третього виду корозії бетону. Вона можлива, коли у воді знаходяться сульфати, наприклад, CaSO4:
3CaO∙Al2O3∙6H2O + 3CaSO4 + 25H2O = 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4·31H2O.
Об’єм гідросульфоалюміната кальцію 3CaO∙Al2O3 ∙ 3CaSO4 ∙ 31H2O в 2,5 рази більший від об’єму гідроалюмінату кальцію 3CaO∙Al2O3∙6H2O. З’являються внутрішні напруги і бетон руйнується.
Для запобігання руйнування бетону передбачають захисні фізичні і хімічні методи з урахуванням умов експлуатації споруд і конструкцій.
До них відносять вибір мінерального складу цементу, різні ефективні добавки, досягнення високої щільності бетону, гідроізоляцію та ін.
Вибір мінералогічного складу цементу визначається особливостями агресивного середовища. Так, для запобігання сульфатної корозії бетону використовують цемент з обмеженим вмістом трикальцієвого алюмінату.
При дії на бетон м’якої води для можливого запобігання при цьому вилуговування зв’язують гідроксид кальцію з активним SiO2, що знаходиться в аморфному стані (діатоміт, трепел):
Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3↓ + H2O
Використовують нові методи, наприклад, ократування і флюатування відповідно:
2Ca(OH)2 + SiF4 = 2CaF2↓ +SiO2↓ + 2H2O
2Ca(OH)2 + MgSiF6 = 2CaF2↓ + MgF2↓ +SiO2↓ + 2H2O
Відкладення в порах продуктів цих реакцій збільшує щільність бетону.
Підвищення щільності перешкоджає проникненню в бетон розчинів агресивних речовин.
Ущільнюють бетон за допомогою пластифікаторів – ПАВ. Вони підвищують пластичність бетонної суміші, окремі частки не злипаються, легко ковзають, заповнюючи вільний простір.