Вопрос 2.Магнезиальные вяжущие вещества

Вопрос 1.

Гипсовые вяжущие делят на низкообжиговые (строительный и технический гипсы) и высокообжиговые (ангидритовый и эстрих-гипс).

Строительный гипс получают из природного минерала гипса CaSO₄·2H₂O и некоторых отходов производства, содержащих CaSO₄.

Получение строительного гипса включает дробление, сушку, по­мол и обжиг природного гипса. Приме­няются большей частью три технологические схемы: 1) дробление - сушка - помол - обжиг, 2) дробление - об­жиг - помол, 3) дробление - помол и обжиг в одном аппарате. Обжиг ведут в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных мельницах. При темпера­туре 110…180 °С отделяется вода и двугидрат переходит в полугидрат: CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·0,5H₂O + 1,5 H₂O.

Установлено существование двух модификаций полугидрата: α и β, которые отличаются структурой кристаллической решетки (α-кристаллы имеют кубическую форму, β-кристаллы – форму параллелепипедов). Модификация β, из которой собственно и состоит строительный гипс, получается в аппаратах сообщающихся с атмосферой, когда кристаллизационная вода выделяется в виде пара и удаляется в атмосферу. Модификация α образуется при повышенном давлении в закрытых аппаратах (автоклавах), когда вода выделяется в жидком состоянии и исходный продукт разделяется на две фазы: жидкую и твердую. В автоклавах получают технический (высокопрочный) гипс, отличающийся высокой прочностью.

Химические процессы при твердении строительного гипса заключаются в гидратации гипса, т. е. в присоединении к нему воды и превращении его в дву­гидрат:

CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O = CaSO₄·2H₂O.

На эту реакцию требуется 18,6 % воды от массы гипса. Обычно к гипсу добавляют от 50 до 70 % воды, иначе тесто получается слишком жестким. Избыточная вода распределяется в виде мельчайших частиц в объеме теста, образуя поры.

Приготовленное тесто через несколько минут схватывается (теряет пластичность) и начинает набирать прочность (твердеть). До начала схватывания тесто можно перемешивать, укладывать в форму, уплотнять. После наступления схватывания этого делать нельзя, иначе будут разрушены успевшие образоваться, но еще слабые кристаллизационные контакты, и прочность гипсового камня будет снижена.

Физические процессы твердения Ле Шателье объяснял следующим образом. Полуводный гипс CaSO₄·0,5H₂O при затворении водой растворяется в ней до образования насыщенного раствора с концентрацией около 7,4 г СаО на 1 л воды. Такой раствор для CaSO₄·2H₂O является пересыщенным, т. к. растворимость двугидрата составляет только 2,05 г СаО/л. Следовательно, двугидрат, образуясь в растворе в результате гидратации полугидрата, будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Образовавшийся недостаток полугидрата в растворе восполняется растворением оставшегося вяжущего и концентрация раствора сохраняется неизменной (7,4 г СаО/л) до завершения гидратации и полного перехода вяжущего в кристаллы двугидрата. Эти кристаллы вначале отделены друг от друга тончайшими прослойками насыщенного раствора двугидрата с концентрацией 2,05 г СаО/л. Дальнейший рост прочности происходит в результате испарения воды и сращивания кристаллов в кристаллический сросток.

Свойства строительного гипса. Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания наступает через несколько минут (обычно 2…10 мин), что вызывает определенные неудобства, т. к. имеется очень мало времени на перемешивание и использование гипсовых составов. Для замедления схватывания строительного гипса используют добавки виннокислого калия, полиалкиламида, солей фосфорной и борной кислот и др.

Отличительной особенностью строительного гипса является увеличение объема теста при твердении (до 1 %). Благодаря этому гипсовая штукатурка не растрескивается. При увлажнении затвердевшего гипса прочность его снижается в 2…3 раза вследствие частичного раство­рения двугидрата и разрушения структуры кристаллического сростка. Изделия из строительного гипса отличаются высокой пористостью (40…50 %) и, соответственно низкой теплопроводностью.

Водопотребность гипса (количество воды, необходимое для получения теста стандартной густоты) составляет 50…70 % от массы гипса. По прочности согласно ГОСТ 125 строительный гипс подразделяется на 12 марок от Г-2 до Г-25, где число означает гарантированный предел прочности при сжатии стандартных образцов в МПа в возрасте 2 часа.

Применение строительного гипса. Применяют строительный гипс главным образом во внутренних частях зданий с относительной влажностью воздуха не более 60 %. Для устройства внутренних перегородок, полов, подвесных потолков, а также в качестве сухой штукатурки широко используются гипсокартонные листы (ГКЛ). Для устройства внутренних стен применяют также гипсовые пазогребневые плиты. Строительный гипс используется в гип­совых или известково-гипсовых растворах, применяемых для штукатурных работ. Гипсовые растворы могут приготавливаться непосредственно на строительном объекте или доставляться в виде сухих смесей. Широко используется гипс для изготовления декоративных деталей и отделочных материалов (например, искусственного мрамора).

Вопрос 3.

Воздушная известь

Воздушную известь в зависимости от со­держания MgO делят на: 1) кальциевую (≤5), 2) магнезиальную (5…20), 3) доломитовую (свыше 20 до 40 %). По активности (содержанию СаО+MgO) известь делят на три сорта: I – (не менее 90 для кальциевой и 85 для магнезиальной и доломитовой извести); II – (не менее 80 и 75, соответственно); III – (не менее 70 и 65 %).

Сырьевые материалы для производства воздушной извести должны состоять в основном из углекислого кальция (известняк, мел, мрамор и т. д.), однако, известковые породы, как правило, содержат при­меси глинистых веществ, углекислого магния, кварца и др.

Обжиг извести производится в шахтных или во вращающихся печах при температуре 900…1300 ^оС.В зоне обжига происходит диссоциация МgСО₃ и СаСО₃ согласно реакций:

СаСО₃ → CaO + СО₂ и МgСО₃ → МgO + СО₂ .

Глинистые вещества, обычно присутствующие в известняках, участвуют в твердофазовых реакциях с образованием силикатов, алюминатов и ферритов кальция, присутствие которых замедляет и делает менее полным гашение извести.

Гашение извести – это процесс взаимодействия с водой по реакции СаО+Н₂О=Са(ОН)₂, которая протекает с выделением большого количества тепла и увеличением в объеме твердой фазы в 2…3,5 раза. Температура при гашении достигает 100 ^оС, вызывая кипение воды, почему негашеную известь называют кипелкой. Воздействие паров кипящей воды и увеличение в объеме продуктов реакции приводит к распадению комьев извести на частицы тонкого порошка. В производстве строительной извести процесс гашения заменяет помол.

Примеси глинистых минералов и кварца, с одной стороны, уменьшают способность извести к гашению, а с другой стороны, сообщают извести способность к гидравлическому твердению. Если содержание этих примесей в известняке превышает 6 %, продукт обжига назы­вается гидравлической известью. Примесь MgCO₃, дающая в результате обжига магнезию MgO, также снижает скорость гашения. При гашении извести, регулируя количество добавленной воды, можно получить два продукта: сухой порошок – пушонку (~75 % воды) или тесто (~250 %).

Помол извести применяют, когда в сырье содержится значительное количество глинистых и магнезиальных примесей. При этом не образуется отходов, неизбежных при гашении извести. Присутствие в извести измельченных силикатов и алюминатов не только не ухудшает качества извести, но и придает ей некоторую водостой­кость. Растворы из молотой негашеной извести твердеют быстрее и достигают более высокой прочности, чем растворы из пушонки.

Гидрокарбонатное твердение известковых растворов складывается из двух одновремен­но протекающих процессов: 1) испарения воды и постепенной кристаллизации гидрата окиси кальция из насыщенного раствора и 2) карбонизации Ca(ОН)₂ углекислотой воздуха по уравнению:

Ca(ОН)₂+СО₂=СаСО₃+Н₂О.

Твердение известкового раствора протекает медленно из-за образования на поверхности тонкого слоя СаСО₃, затрудняющего испарение воды из раствора и проникновение СО₂ внутрь.

Гидросиликатное твердениепроисходит при обработке известково-песчаных изделий в автоклавах (например, при получении силикатного кирпича), где под воздействием пара повышенного давления 0,8…1,6 МПа и температуры 170…200 °С, происходит взаимодействие между известью и кремнеземом кварцевого песка с образованием гидросиликатов кальция:

CaO + SiO₂ + H₂O → CaO·SiO₂·H₂O.

Помол кварцевого песка приводит к ускорению этой реакции, и является одним из основных способов повышения прочности силикатных изделий. Соотношение молотого кварца и извести в силикальците составляет обычно 1:1. Содержание извести в общей массе силикатного бетона равно 8…12 %.

Прочность гашеной извести невысока и через 28 суток составляет 0,5…1,0 МПа. Прочность молотой негашеной извести примерно в 2…3 раза выше. Воздушная известь дает при твердении высокую усадку, которую снижают добавлением большого количества песка.

Вопрос 4.

Вопрос 5.

Вопрос 6.

1.7.2. Портландцемент быстротвердеющий (ПЦ-Б)[1] является алито-алюминатным цементом, с повышенным содержанием C₃S и C₃A (в сумме 60…65 %) и более тонким по сравнению с ПЦ помолом клинкера (S_уд=3500…4500 см²/г).

Скорость твердения ПЦ-Б возрастает со скоростью охлаждения клинкера. При быстром охлаждении от температуры 1250…1300 °С отдельные фазы клинкера остаются в аморфной форме, сохраняя высокую активность. При помоле ПЦ-Б добавляют активные минераль­ные добавки (не более 20 % от веса цемента), которые обеспечивают равномерный рост прочности (без сбросов прочности). В отличие от ПЦ прочность ПЦ-Б нормируется в возрасте 3 и 28 суток. В возрасте 3 суток ПЦ-Б должен иметь не менее половины (обычно 60…70 %) марочной (28-суточной) прочности. Стандарт предусматривает две марки ПЦ-Б: 400 и 500. ПЦ-Б предназначается для изготовления сборных железобетон­ных конструкций и изделий на заводах и полиго­нах, а также для скоростного строительства.

1.7.3. Сульфатостойкий портландцемент (ССПЦ) изготовляют на основе клинкера нормированного состава, содержащего: C₃S – не более 50 %; С₃А – не более 5 % и суммы С₃А + С₄AF – не более 22 %. Минеральные добавки не допускается, т. к. они снижают морозостойкость бетона. Для этого цемента характерны пониженное тепловыде­ление и замедленное твердение в начальные сроки, что объясняется пониженным содержанием активных минералов. Сульфатостойкий портландцемент выпускается только одной марки 400. Он предназначен для изготовления бетона наружных зон сооружений, работающих в усло­виях сульфатной агрессии воды и одновременно подверженных система­тическому попеременному увлажнению и высыханию или заморажива­нию и оттаиванию.

1.7.4. Портландцемент пластифицированный (ПЦ-ПЛ) изготовляют путем вве­дения при помоле клинкера пластифицирующей поверхностно-активной добавки в количестве 0,15…0,30 % от массы цемента. В качестве таких добавок часто применяют технические лигносульфонаты (ЛСТ, ЛСТМ и др.). Добавка облегчает помол клинкера и придает растворным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пластифицирующий эффект позволяет либо сократить расход цемента (при В/Ц=const), либо повысить прочность, морозостой­кость и водонепроницаемость бетона, уменьшив В/Ц.

1.7.5. Порт­ландцемент гидрофобный (ПЦ-ГФ) получают при добавлении к цементу в процессе помола клинкера и гипса гидрофобизующих до­бавок (асидола, мылонафта, олеиновой кислоты, кубовых остат­ков синтетических жирных кислот и пр.) в количестве 0,06…0,30 % от массы цемента. Гидрофобизующие добавки образуют на зернах цемента тончайшие адсорбцион­ные слои, обладающие водоотталкивающими свойствами и понижающие способность цемента смачиваться водой. Поэтому гидрофобные цементы не снижают активности в течение 1…2 лет хранения на воздухе, в то время как обычные цементы уже через 1…3 месяца теряют до 30 % и более начальной прочности. В начале процесса твердения вода проникает к зерну цемента путем диффузии через адсорбционные пленки, при этом несколько замедляется рост прочности. По мере гидратации и увеличения в объеме новообразований гидрофобные слои разрываются и твердение протекает нормально. Благодаря воздухововлекающей способности этих добавок пористость бетона возрастает на 3…5 % по объему, что несколько понижает прочность, но из-за снижения доли открытых пор уменьшается водопоглощение, повышается водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Гидрофобизующие добавки интенсифицируют процесс помола цемента и предотвращают слипание частиц цемента и налипание их на мелющие тела.

Вопрос 7

Вопрос 8.

1.8.2. Пуццолановый портландцемент (ППЦ) относится к сульфатостойким видам цемента. Его получают путем совместного помола портландцементного клинкера нормированного состава (C₃A≤8 %, Al₂O₃≤5 %, MgO≤5 %) и 20…40 % пуццоланы. При помоле добавляют гипс для регулирования сроков схватывания. При твердении ППЦ вначале образуются те же продукты, что и при гидратации портландцемента. Вслед за этим аморфный кремнезем пуццоланы, реагируя с образовавшимися Са(ОН)₂ и 3CaO·Al₂O₃·6Н₂О (С₃АН₆), переводит их в малорастворимые низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция (реакции пуццоланизации):

Са(ОН)₂+SiO₂+Н₂О=CaO·SiO₂·Н₂О,

3CaO·Al₂O₃·6Н₂О+SiO₂=nCaO·Al₂O₃·xН₂О+mCaO·SiO₂·yН₂О.

Поскольку в составе продуктов гидратации ППЦ отсутствуют растворимый Са(ОН)₂ и высокоактивный С₃АН₆, он является более стойким, чем ПЦ, к выщелачиванию и сульфатной коррозии. По сравнению с портландцементом ППЦ твердеет медленнее, выделяет меньше тепла и имеет меньшую прочность, характеризуемую марками – 300 и 400, что объясняется замещением части клинкера менее активной пуццоланой. Водопотребность ППЦ, составляет 30…40 %, вместо 24…28 % у ПЦ. Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на ППЦ низка, однако водонепроницаемость их выше, чем бетонов на ПЦ, т.к. гидравлическая добавка под влиянием известковой воды сильно набухает. ППЦ дешевле портландцемента и его выгодно применять в подводных и подземных частях конструкций; во внутренних зонах бетона гидротехнических сооружений. Вследствие пониженной морозостойкости и воздухостойкости его не следует использовать в атмосферных условиях и в зоне переменного уровня воды.

1.8.3. Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают путем совместного помола портландцемент­ного клинкера и гранулированного доменного шлака (от 20 до 80 %) с добавлением гипса до 5 % от массы сухой смеси. Допускается замена части шлака (до 10 % от массы цемента) пуццоланой. При гидратации клинкерной части ШПЦ образуются те же кристаллогидраты, что и при твердении ПЦ. Под воздействием насыщенного раствора извести стекловидная фаза доменного шлака активизируется и вступает в процессы гидратации и гидролиза с образованием гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В шлакопортландцементе гипс не только замедляет схватывание, но и выступает в начальный период наряду с Ca(OH)₂ в роли активизатора твердения шлака. В дальнейшем и гипс и известь непосредст­венно реагируют со шлаковыми составляющими, образуя типичные для ШПЦ продукты: гидрогеленит и гидрогранаты. При твердении шлакопортландцемента образуются гидросиликаты мень­шей основности, чем при твердении портландцемента.

Преимущества ШПЦ перед ПЦ заключаются, во-первых, в более высокой водостойкости в пресных и сульфатных водах, что обусловлено низким содержа­нием в цементном камне Ca(OH)₂ и меньшей основностью силикатов, во-вторых, в более низкой (на 30…40 %) стоимости. Тепловыделение ШПЦ меньше тепловыделения ПЦ, что для массивных конструкций является крайне желательным. Высокая адгезия к стальной арматуре и способность при пропаривании набирать прочность быстрее ПЦ позволяют применять шлакопортландцемент на заводах железобетонных изделий. К недостаткам ШПЦ можно отнести пониженную по сравнению с ПЦ активность, в результате чего бетоны на этом цементе твердеют медленнее и имеют более низкие характеристики прочности, морозостойкости, водонепроницаемости. Марки ШПЦ по прочности: 300, 400, 500. По прочности и морозостойкости ШПЦ превосходит ППЦ, но уступает ему по водонепроницаемости. Водопотребность ШПЦ (20…25 %) несколько меньше, чем у портландцемента.

ШПЦ используют в массивных наземных, подземных и подводных сооружениях, в частности, при воздействии агрессив­ной среды; для изготовления бетонных и железобетон­ных изделий; в составе кладочных и штукатурных растворов. Не рекомендуется применять ШПЦ в конструкциях, подвергающихся по­переменному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и вы­сыханию.

1.8.4. Сульфатостойкий шлакопортландцемент (ССШПЦ) в отличие от ШПЦ готовят из клинкера нормированного состава (C₃A≤8 %, Al₂O₃≤5 %, MgO≤5 %) и с содержанием доменного шлака от 40 до 60 %. Замена части шлака пуццоланой допускается в количестве не более 10 %. Сульфатостойкий шлакопортландцемент имеет две марки: 300 и 400. Он применяется в основном для под­земных и подводных частей бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию сульфат­ных и пресных вод.

Вопрос 9

1.7.6 Белый портландцемент(БПЦ) бывает двух видов: без активных минеральных добавок и с добавками не более 20 %. БПЦ получают из сырья с весьма малым содержанием красящих окислов (FeO, MnO и др.). Используют чистый известняк или мел и белую глину – каолин. Клинкер БПЦ состоит из алита, белита и алюминатов кальция при почти полном отсутствии алюмоферритной фазы. Для исключения возможности загрязнения цемента железом и его окислами при помоле мельницы футеруют фар­форовыми или кремневыми плитами. Для помола применяют мелющие тела из фарфора или высокоглиноземистого материала – уралита. Обжиг клинкера производится на беззольном топливе – мазуте или газе. Клинкер подвергают так называемому отбеливанию – резкому охлаждению от 1250…1350 °С до 500…600 °С, в результате которого белит теряет способность растворять окислы железа. Марки БПЦ: 400 и 500. По белизне он делится на три сорта.

1.7.7. Цветные портландцементы (ЦПЦ) получают двумя способами: 1) совместным помолом белого клинкера с минеральными красителями: охрой, железным суриком, марганцевой рудой, ультрамари­ном и др.; 2) путем введения в безжелезистую сырьевую смесь красящих пигментов (окислов хрома, марганца, кобальта, никеля и др.). Окрашенные клинкеры дают редкие и насыщенные цвета, недоступные при первом способе. Марки: 300, 400 и 500.

Вопрос 10

Глиноземистые цементы

Глиноземистые цементы – это сверхбыстротвердеющие гидравлические вяжущие вещества, являющиеся продуктами помола обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси, составленной из бокситов (Al₂O₃·nH₂O) и известняков (CaCO₃). В зависимости от со­держания Al₂O₃ глиноземистые цементы подразделяются на: обычный глиноземистый цемент (ГЦ) с содержанием Al₂O₃ не менее 35 % и высокоглиноземистые (ВГЦ), в которых содержание Al₂O₃ должно быть не менее: для вида ВГЦ I – 60, ВГЦ II – 70 и ВГЦ III – 80 %.

Минералогический состав глиноземистых цементов характеризуется преобладанием низкоосновных алюминатов кальция, главным образом однокальциевого алюмината СаО·Al₂O₃ (СА).

Получение ГЦ возможно либо плавлени­ем либо спеканием сырьевых смесей. В России ГЦ производится в основном путем бокситной плавки чугуна в доменной печи.

При получении глиноземистого клинкера и чугуна в домен­ной печи сырьевая смесь составляется из железистого боксита, известняка, металлического лома и кокса. Шлак и чугун образуют в печи два слоя и удаляются из нее раздельно. Температура удаляемого шлака составляет 1600…1700 °С. Количество выходящего из доменной печи чугуна примерно равно количеству получающегося цемента.

Помол клинкера ГЦ требует высокого расхода электроэнергии из-за высокой твер­дости (7,0…7,5 по шкале Мооса).

Твердение. Однокальциевый алюминат схватывается медленно, но твердеет очень быстро. В процессе гидратации CA из пересыщенного раствора выкристаллизовывается гидроалюминат кальция СаО·Al₂O₃·10Н₂О, с течением времени переходящий в пластинчатые кристаллы С₂АН₈ и гель Al(OH)₃. Одновременно из раствора кристалли­зуются С₂АН₈, С₄АН₁₂, С₃АН₁₂.

Свойства ГЦ. Плотность (2,8…3,2 г/см³), водопотребность (23…28 %) и сроки схватывания ГЦ имеют близкие к ПЦ значения. Отличительной особенностью ГЦ и ВГЦ является очень быстрое нарастание прочности при твердении. Уже к суточному возрасту прочность изделий из ГЦ составляет 50…90 % от марочной. ГЦ выпускается трех марок: 40, 50 и 60, а ВГЦ – марок 25 и 35. Марка показывает нижний предел прочности при сжатии в МПа при стандартном испытании в возрасте 3 суток. Стойкость ГЦ в сульфатных и пресных водахвыше, чем ПЦ и других вяжущих веществ, причиной чего считают образование на кристаллах гидроалюминатов кальция защитной пленки из А1(ОН)₃ и отсутствие в цементном камне свободной Ca(OH)₂. ГЦ характеризуется значительным тепловыделением при твердении, причем теплота выделяется с высокой скоростью, что препятствует использованию глиноземистого цемента для бетона массивных сооружений. Бетоны на ГЦ имеют высокую морозостойкость и жаростойкость.

Применение ГЦограничивается его стоимостью, которая в 3…4 раза выше, чем ПЦ. Он применяется в тех случаях, когда необходимы его специфические свойства, например, при проведении аварийных и срочных работ, для тампонирования нефтяных и газовых скважин, получения огнеупорного бетона. Используется ГЦ также в составе смешанных вяжущих веществ

Вопрос 11.

Коррозия бетона

Коррозией бетона называются химические процессы, приводящие к снижению его технических свойств. Слово «коррозия» происходит от лат. «corrodo – грызу» или «corrosio – разъедание». В химическое взаимодействие с природной водой вступают в основном продукты гидратации портландцемента.

Причиной коррозии бетона является, сравнительно высокая растворимость в воде Ca(OH)₂ – до 1,3 г CaO в л. Пока в растворе поддерживается такая концентрация извести (CaO), остальные продукты гидратации портландцемента не могут переходить в раствор, т. к. для них он является пересыщенным. Только когда концентрация извести понизится, начнется растворение гидросиликата (2CaO·SiO₂·2H₂O) и гидроалюмината кальция (3CaО·Al₂O₃·6H₂O), которое сопровождается разложением их на: SiO₂·nH₂O, Al(OH)₃ и Ca(OH)₂. При этом известь переходит в раствор, а кремнекислота и Al(OH)₃ получаются в виде бессвязной массы.

2.6.1. Выщелачивающая коррозия. Если сооружения безнапорные, и вода, заполняющая поры, не имеет возможности выхода из бетона, то вынос (выщелачивание) растворенного Ca(OH)₂ происходит в результате диффузии. В случае напорных сооружений вода, просачиваясь через бетон, вымывает кристаллический сросток Ca(OH)₂. Когда последний полностью исчезнит, концентрация извести упадет ниже 1,3 (г СаО)/л и начнется гидролиз гидросиликата и гидроалюмината кальция.

Выщелачивающая агрессивность воды-среды существенно снижается в случае ее высокой временной жесткости (гидрокарбонатной щелочности), обусловленной содержанием в растворе гидрокарбонатов кальция и магния – Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Чем выше временная жесткость (показатель агрессивности), тем менее опасна вода для бетона. Это объясняется взаимодействием бикарбонатов со свободной известью с образованием нерастворимых карбонатов кальция и магния:

Ca(OH)₂+Ca(HCO₃)₂=2CaCO₃↓+2H₂O;

Ca(OH)₂+Mg(HCO₃)₂=CaCO₃↓+MgCO₃↓+2H₂O.

Отлагаясь в порах бетона, CaCO₃ и MgCO₃ образуют защитный слой и препятствуют растворению гидроксида кальция.

2.6.2.Общекислотная коррозия.Процесс коррозии описывается уравнением: Ca(OH)₂+2HCl=CaCl₂+2H₂O. Хлористый кальций хорошо растворим, и легко вымывается из бетона. Это ведет к исчезновению из бетона кристаллического сростка Ca(OH)₂. Показателем агрессивности является концентрация в воде катионов водорода, выражаемая водородным показателем рН. Вода опасна для бетона при рН<7 (когда вода кислая) и, чем меньше рН, тем опаснее вода.

2.6.3. Углекислая коррозия. Под воздействием углекислоты, растворенной в природной воде Ca(OH)₂ превращается в карбонат кальция: Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+H₂O. Углекислый кальций в воде не растворим, но в присутствии углекислоты он переходит в хорошо растворимый бикарбонат кальция, вымываемый из бетона: CaCO₃+CO₂+H₂O↔Ca(HCO₃)₂. Эта реакция обратима. Равновесие устанавливается, когда в левой части реакции (т. е. в воде-среде) имеется углекислота в количестве, необходимом для поддержания в растворенном состоянии Ca(HCO₃)₂. Реакция течет влево, если углекислоты в растворе меньше равновесного количества и – вправо, в сторону растворения CaCO₃, если имеет место превышение равновесного количества CO₂. Опасной (агрессивной) для бетона является та углекислота, которая содержится в воде-среде сверх равновесного количества. Чем больше концентрация агрессивной углекислоты (показатель агрессивности), тем опаснее вода.

2.6.4. Магнезиальная коррозия. При содержании в воде растворимых солей магния, например, MgCl₂, MgSO₄ и других может происходить магнезиальная коррозия бетона по реакции: Ca(OH)₂+MgCl₂→Mg(OH)₂+CaCl₂. Процесс этот необратим. Гидроксид магния характеризуется меньшей растворимостью, чем Ca(OH)₂, но образуется в виде рыхлой массы. Замена кристаллического сростка Ca(OH)₂ рыхлым продуктом Mg(OH)₂ ведет к снижению прочности бетона. Как уже указывалось, CaCl₂ хорошо растворим, и вымывается из бетона. Показателем магнезиальной агрессивности является концентрация в воде ионов магния. Чем больше эта концентрация, тем опаснее вода.

2.6.5. Аммонийная коррозия. Почти все соли аммония хорошо растворимы и полностью диссоциируют в воде. В растворе ионы NН₄⁺ и OH^- связываются в почти недиссоциирующий гидрат аммиака[2], в результате чего возникает кислая среда: NН₄⁺+H₂O=NН₄OH+Н⁺. В результате аммонийная коррозия протекает так же, как и общекислотная, с образованием вместо Ca(OH)₂ растворимых солей кальция, вымываемых из бетона: Ca(OH)₂+2NН₄⁺=Ca²⁺+2NН₄OH. Концентрация NH₄⁺ является показателем агрессивности. С ее увеличением возрастает опасность воды.

2.6.6. Щелочная коррозия. Растворимость Ca(OH)₂ в воде, содержащей щелочи KOH и NaOH, значительно снижается из-за присутствия одноименных ионов OH^-. Снижение концентрации извести в поровом растворе приводит к гидролизу гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с образованием аморфных кремнекислоты SiO₂·nH₂O и гидроксида алюминия Al(OH)₃ и выделением в раствор извести Ca(OH)₂. При малом содержании щелочей процесс не опасен для бетона, так как малорастворимый Al(OH)₃ экранирует поверхность цементного камня и тормозит реакцию. При большом содержании щелочей образуются хорошо растворимые щелочные алюминаты и силикаты: 2Al(OH)₃+NaOH=Na₂O·Al₂O₃·4H₂O и SiO₂·nH₂O+2NaOH+(7-n)H₂O= Na₂O·SiO₂·9H₂O. Таким образом, происходит растворение гидросиликатов и гидроалюмиинатов кальция и вымывание их из бетона. Чем больше концентрация в воде катионов K⁺ и Na⁺ (показатель агрессивности), тем опаснее вода.

2.6.7. Сульфатная коррозия. Из анионов, содержащихся в природной воде, агрессивное действие на бетон оказывает лишь анион SO₄^2-. В процессе коррозии участвует гидроалюминат кальция: 3CaO·Al₂O₃·6H₂O+3Ca²⁺+3SO₄^2-+25H₂O→ 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₂·31H₂O. Катионы кальция поступают для реакции в результате растворения Ca(OH)₂. Образующаяся комплексная соль, называемая гидросульфоалюминат кальция (ГСАК), имеет объем, в несколько раз больший, чем объем исходных продуктов в бетоне. Это является причиной растрескивания бетона. Показателем агрессивности является концентрация в воде аниона SO₄^2-. Чем она больше, тем опаснее вода.

2.6.8. Общесолевая коррозия. При испарении воды из бетона в его порах остается твердый остаток, образующийся из растворенных в воде-среде солей. Постоянное поступление воды в бетон и последующее ее испарение с открытых поверхностей приводит к накоплению твердого осадка и росту кристаллов соли в порах бетона. Этот процесс сопровождается расширением и растрескиванием бетона. Щелочи, содержащиеся в воде-среде, вносят свой вклад в общесолевую коррозию. При доступе углекислоты воздуха к испаряющей поверхности бетона происходит карбонизация щелочей, с образованием Na₂CO₃ и K₂CO₃, и накопление этих солей в порах бетона. Показателем агрессивности является концентрация в воде солей (соленость воды) и едких щелочей. Чем выше эта концентрация, тем опаснее вода.

Вопрос 1.

Гипсовые вяжущие делят на низкообжиговые (строительный и технический гипсы) и высокообжиговые (ангидритовый и эстрих-гипс).

Строительный гипс получают из природного минерала гипса CaSO₄·2H₂O и некоторых отходов производства, содержащих CaSO₄.

Получение строительного гипса включает дробление, сушку, по­мол и обжиг природного гипса. Приме­няются большей частью три технологические схемы: 1) дробление - сушка - помол - обжиг, 2) дробление - об­жиг - помол, 3) дробление - помол и обжиг в одном аппарате. Обжиг ведут в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных мельницах. При темпера­туре 110…180 °С отделяется вода и двугидрат переходит в полугидрат: CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·0,5H₂O + 1,5 H₂O.

Установлено существование двух модификаций полугидрата: α и β, которые отличаются структурой кристаллической решетки (α-кристаллы имеют кубическую форму, β-кристаллы – форму параллелепипедов). Модификация β, из которой собственно и состоит строительный гипс, получается в аппаратах сообщающихся с атмосферой, когда кристаллизационная вода выделяется в виде пара и удаляется в атмосферу. Модификация α образуется при повышенном давлении в закрытых аппаратах (автоклавах), когда вода выделяется в жидком состоянии и исходный продукт разделяется на две фазы: жидкую и твердую. В автоклавах получают технический (высокопрочный) гипс, отличающийся высокой прочностью.

Химические процессы при твердении строительного гипса заключаются в гидратации гипса, т. е. в присоединении к нему воды и превращении его в дву­гидрат:

CaSO₄·0,5H₂O+1,5H₂O = CaSO₄·2H₂O.

На эту реакцию требуется 18,6 % воды от массы гипса. Обычно к гипсу добавляют от 50 до 70 % воды, иначе тесто получается слишком жестким. Избыточная вода распределяется в виде мельчайших частиц в объеме теста, образуя поры.

Приготовленное тесто через несколько минут схватывается (теряет пластичность) и начинает набирать прочность (твердеть). До начала схватывания тесто можно перемешивать, укладывать в форму, уплотнять. После наступления схватывания этого делать нельзя, иначе будут разрушены успевшие образоваться, но еще слабые кристаллизационные контакты, и прочность гипсового камня будет снижена.

Физические процессы твердения Ле Шателье объяснял следующим образом. Полуводный гипс CaSO₄·0,5H₂O при затворении водой растворяется в ней до образования насыщенного раствора с концентрацией около 7,4 г СаО на 1 л воды. Такой раствор для CaSO₄·2H₂O является пересыщенным, т. к. растворимость двугидрата составляет только 2,05 г СаО/л. Следовательно, двугидрат, образуясь в растворе в результате гидратации полугидрата, будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Образовавшийся недостаток полугидрата в растворе восполняется растворением оставшегося вяжущего и концентрация раствора сохраняется неизменной (7,4 г СаО/л) до завершения гидратации и полного перехода вяжущего в кристаллы двугидрата. Эти кристаллы вначале отделены друг от друга тончайшими прослойками насыщенного раствора двугидрата с концентрацией 2,05 г СаО/л. Дальнейший рост прочности происходит в результате испарения воды и сращивания кристаллов в кристаллический сросток.

Свойства строительного гипса. Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания наступает через несколько минут (обычно 2…10 мин), что вызывает определенные неудобства, т. к. имеется очень мало времени на перемешивание и использование гипсовых составов. Для замедления схватывания строительного гипса используют добавки виннокислого калия, полиалкиламида, солей фосфорной и борной кислот и др.

Отличительной особенностью строительного гипса является увеличение объема теста при твердении (до 1 %). Благодаря этому гипсовая штукатурка не растрескивается. При увлажнении затвердевшего гипса прочность его снижается в 2…3 раза вследствие частичного раство­рения двугидрата и разрушения структуры кристаллического сростка. Изделия из строительного гипса отличаются высокой пористостью (40…50 %) и, соответственно низкой теплопроводностью.

Водопотребность гипса (количество воды, необходимое для получения теста стандартной густоты) составляет 50…70 % от массы гипса. По прочности согласно ГОСТ 125 строительный гипс подразделяется на 12 марок от Г-2 до Г-25, где число означает гарантированный предел прочности при сжатии стандартных образцов в МПа в возрасте 2 часа.

Применение строительного гипса. Применяют строительный гипс главным образом во внутренних частях зданий с относительной влажностью воздуха не более 60 %. Для устройства внутренних перегородок, полов, подвесных потолков, а также в качестве сухой штукатурки широко используются гипсокартонные листы (ГКЛ). Для устройства внутренних стен применяют также гипсовые пазогребневые плиты. Строительный гипс используется в гип­совых или известково-гипсовых растворах, применяемых для штукатурных работ. Гипсовые растворы могут приготавливаться непосредственно на строительном объекте или доставляться в виде сухих смесей. Широко используется гипс для изготовления декоративных деталей и отделочных материалов (например, искусственного мрамора).

Вопрос 2.Магнезиальные вяжущие вещества

К магнезиальным вяжущим веществам относятся каустический маг­незит и каустический доломит. Магнезиальные вяжущие могут твердеть только на воздухе, поэтому их используют в помещениях с относительной влажностью не более 60 %.

1.3.1. Каустический магнезит получают обжигом природного маг­незита MgCO₃ в шахтных или вращающихся печах при 750…850 °С и помолом продукта обжига. При обжиге происходит разложение карбоната магния по реакции:

MgCO₃=MgO+CО₂.

Каустический магнезит – быстротвердеющее вяжущее, обладающее высокой прочностью при сжатии (до 65 МПа).

1.3.2. Каустический доломитотличается от каустического магнезита пониженным качеством и производится ввиду того, что природные запасы магнезита ограничены. Вяжущее (MgO·СаСОз) получают обжигом природного доломита (СаСО₃·МgСО₃) при темпера­туре не выше 720…750 °С, с тем чтобы происходила дис­социация только МgСО₃, а СаСО₃ не подверг