Вяжущие вещества

1.1. Классификация вяжущих веществ

Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов с течением времени затвердевает. Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут скреплять между собой зерна песка и гравия, кирпич, блоки; кроме того можно получать искусственный камень заданной формы. Известна широкая гамма разнообразных вяжущих веществ, которые применяются в строительстве.

В зависимости от природы они подразделяются на две группы (табл 1).

Таблица 1

1. Неорганические вяжущие
Воздушного твердения	Воздушная известь
Строительный гипс
Магнезиальные вяжущие
Гидравлического твердения	Портландцемент
Глиноземистый цемент
Романцемент
Автоклавного твердения	Известково-кремнеземистые вяжущие
Известково-нифелиновые вяжущие
Песчанистый портландцемент
2. Органические вяжущие
Битумы
Асфальты
Полимеры
Клеи

Неорганические строительные вяжущие вещества - порошкообразные материалы - для перевода в рабочее состояние затворяют водой, реже водными растворами солей.

Органические вяжущие переводят в рабочее состояние, нагревая их или смешивая с органическим растворителем.

Важным показателем вяжущих является их отношение к воздействию воды. По этому признаку их делят на воздушные и гидравлические:

- воздушные вяжущие способны твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушной среде;

- гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.

Вяжущие автоклавного твердения способны твердеть только в среде насыщенного водяного пара при температуре 150-200 ºС и повышенном давлении (в автоклаве).

Вяжущие вещества различают по скорости твердения:

- быстротвердеющие имеют период полного твердения до 3 суток (строительный гипс, магнезиальный цемент);

- медленнотвердеющие – более 3 суток (воздушная известь, портландцемент и др.).

Итак, в процессе работы с вяжущими веществами различают стадии:

1) затворение – приведение вяжущего в рабочее состояние;

2) схватывание - вяжущее теряет свои пластично-вязкие свойства:

А) начало схватывания характеризуется потерей тестом пластичности:

Б) конец схватывания – момент, когда тесто превращается в твердое тело, но не имеет еще значимой прочности. У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания отсутствует;

3) полный набор прочности.

Рассмотрим, какие превращения имеют место в процессе твердения некоторых вяжущих веществ.

I.2. Воздушные вяжущие вещества

I.2.I. Строительный гипс

Строительный (полуводный) гипс CaSO₄ · 0,5 H₂ O получается из природного (двуводного) гипса СаSO₄ · 2H₂O путем нагревания при температуре 150-170°С. При этом происходит частичная дегидратация:

СаSO₄ · 2H₂O ↔ CaSO₄ · 0,5 H₂O + 1,5 H₂O

Полученный полуводный гипс измельчается до порошкообразного состояния и при замешивании с водой подвергается гидратации при обычной температуре:

CaSO₄ · 0,5 H₂O + 1,5 H₂O = CaSO₄ ·2 H₂O

Эта реакция протекает быстро и с выделением тепла, т.к. при обычных условиях двуводный гипс является более устойчивой формой, чем полуводный. Поэтому храниться гипс должен изолированно от внешних воздействий.

Процесс гидратации строительного гипса лежит в основе его твердения. Сложный физико-химический процесс твердения, согласно теории А.А.Байкова, слагается из трех стадий.

Первая стадия – стадия затворения (растворения и гидратации). На данной стадии происходит первоначальное взаимодействие порошкообразного вяжущего с водой с образованием насыщенного раствора полуводного гипса (растворимость которого 10 г/л). Полуводный гипс быстро гидратируется и переходит в двуводный, обладающий в 5 раз меньшей растворимостью (2 г/л). Вследствие этого CaSO₄ · 2 H₂O выделяется в виде мельчайших, постепенно растущих кристаллов в микродисперсном состоянии. Это состояние неустойчиво и непродолжительно, т.е. затворенная масса сохраняет пластичность на непродолжительный срок.

Вторая стадия – стадия схватывания, характеризуется прогрессирующей кристаллизацией двуводного гипса, выделением новых кристаллов, переплетающихся между собой. Жидкая фаза запустевает, ее подвижность уменьшается. Схватившаяся влажная масса не обладает еще заметной прочностью и при механическом воздействии вновь разжижается (тиксотропия).

Третья стадия – стадия твердения. На этой стадии наблюдается рост прочности массы. Влажная кристаллическая масса при хранении на воздухе высыхает. Эта стадия более длительная, чем стадия схватывания.

1.2.2. Воздушная известь

Воздушная известь получается путем обжига известняка, ракушечника и других природных материалов, содержащих карбонат кальция. Главной составной частью обожженного материала является безводная окись кальция – СаО («негашеная известь»):

СаСО₃ ^900-1000°С СаО + СО₂

Перед употреблением извести в качестве вяжущего ее гасят. При этом протекает следующая реакция:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 15,5 ккал (64,8 кДж)

Свойством извести «гаситься» пользуются для превращения ее в дисперсное состояние. Известь является медленнотвердеющим вяжущим. В строительстве часто применяется в смеси с песком (1 часть извести на 3 части песка), которая называется известковым раствором.

Процесс твердения воздушной извести заключается в следующем: испаряющаяся с поверхности известкового теста влага способствует выделению Са(ОН)₂ в кристаллическом состоянии как внутри, так и на поверхности теста. Находящийся на поверхности Са(ОН)₂ поглощает из воздуха углекислый газ СО₂, происходит очень медленное образование карбоната кальция СаСО₃, называемое реакцией карбонизации, которая может протекать многие годы:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ +Н₂О + 17 ккал (71,16 кДж).

СаСО₃ – соединение, почти нерастворимое в воде. Из насыщенной жидкой фазы известкового теста, вследствие малой растворимости, выделяется Са(ОН)₂ и СаСО₃ сначала в коллоидном, затем в кристаллическом состоянии. За счет кристаллизации идет нарастание прочности известкового теста и превращение его в камневидное тело.

Таким образом, к получению твердого продукта приводят процессы гелеобразования, кристаллизации и карбонизации.

1.2.3. Магнезиальные вяжущие вещества

Магнезиальные вяжущие вещества получают при обжиге магнезита (МgCO₃) или доломита (MgCO₃ ·CaCO₃):

MgCO₃ → MgO + CO₂

Получившийся обожженный магнезит называют каустическим магнезитом, или магнезиальным вяжущим. Затворяются магнезиальные вяжущие насыщенными растворами хлорида или сульфата магния:

MgO + MgCl₂ + H₂O = 2MgOHCl

Это упрощенная схема твердения магнезиальных вяжущих. Чаще состав затвердевающих продуктов представляют формулой

xMgO · yMgCl₂ · H₂O.

Магнезиальные вяжущие имеют сроки схватывания от 20 минут до

6 часов. Хорошо соединяясь с древесно-волокнистыми материалами, позволяют готовить на их основе ксилолит (наполнитель – опилки) и фибролит (наполнитель – стружки). Ксилолит и фибролит – хорошие тепло- и звукоизоляционные материалы.

1.3. Гидравлические вяжущие вещества

1.3.1. Портландцемент

Наиболее важным гидравлическим вяжущим является портландцемент. Это медленнотвердеющее вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до спекания, т.е. примерно 1500 °С) мергелей или искусственных смесей, состоящих из 75-78% известняка СаСО₃ и 22-25% каолина Аl₂О₃ · 2 SiO₂ · 2H₂O.

В процессе обжига можно выделить шесть зон мокрого способа получения цемента: 1 – испарения (100-200 °С), 2 – дегидратации (400-800 °С), 3 – декарбонизации (900-1200 °С), 4 – экзотермических реакций (1200-1300°С), 5 – спекания (1450 °С), 6 – охлаждения.

Полученный материал, называемый цементным клинкером (табл. 2), подвергается тонкому помолу.

Таблица 2

Минералогический состав портландцементного клинкера

Название минерала	Химический состав	Обоз- наче- ние	Название и обозна- чение	Содержа- ние в клинкере %
Двухкальциевый силикат	2СаО · SiO2	C2 S	Белит (В)	15-37
Трехкальциевый силикат	32СаО · SiO2	C3 S	Алит (А)	37-60
Трехкальциевый алюминат	3CaO · Al2O3	C3 A	-	7-15
Четырехкальциевый алюмоферрит	4CaO · Al2O3 ·Fe2O3	C4 AF	Целит (С)	10-18

При помоле к клинкеру добавляют природный гипс в количестве от 3 до 5% с целью замедления сроков схватывания. Такой молотый тонкодисперсный продукт называется цементом.

При затворении цемента водой происходит взаимодействие его минералов с водой, сопровождающихся образованием новых соединений, которых не было в цементном клинкере. При этом протекают реакции гидролиза и гидратации:

1) 2СаО · SiO₂ + nH₂O = 2CaO · SiO₂ · nH₂O;

2) 3CaO · SiO + (n+1) H₂O = Ca(OH)₂ + 2CaO · SiO₂ · nH₂O;

3) 3CaO · Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO · Al₂O₃ · 6H₂O;

4) 4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃ + (m+7)H₂O = Ca(OH)₂ + 3CaO + Al₂O₃ · 6H₂O + Fe₂O₃ · mH₂О.

В этом и состоит химизм твердения портландцемента. Однако схватывание и твердение портландцемента обусловлены комплексом физико-химических процессов.

По теории А.А. Байкова, процесс превращения цементного порошка при затворении его водой в цементный камень протекает в 3 стадии.

Первая стадия – затворение. При этом образуется насыщенный раствор.

Вторая стадия - стадия коллоидации. В результате взаимодействия с водой образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие малой растворимостью. Поэтому они образуют коллоидный раствор.

Материал приобретает структуру геля, который еще не обладает механической прочностью, но способен сохранить форму.

Третья стадия – стадия кристаллизации. При этом наблюдается процесс перекристаллизации мелких частиц коллоидной системы в более крупные кристаллические частицы, которые, переплетаясь и срастаясь, образуют твердый материал, обладающий механической прочностью.

Наряду с кристаллизацией протекает уплотнение геля за счет связывания воды ранее непрореагированными частицами различных минералов цементного клинкера.

1.3.2. Глиноземистый цемент

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее, гидравлическое вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до начала спекания, т.е. до 1600°С) смеси известняка (СаСО₃) с бокситами (xAl₂O₃ · yH₂O). Бокситы встречаются сравнительно редко и являются ценным сырьем для получения металлического алюминия. Поэтому глиноземистый цемент является более дорогим строительным материалом, чем портландцемент.

Главной составной частью этого цемента является однокальциевый алюминат СаО · Al₂O₃. При взаимодействии с водой образуется гидрат двухкальциевого алюмината:

2(СаО · Al₂O₃) + 10Н₂О = 2СаО · Al₂O₃ · 7Н₂О + 2Al(OH)₃.

Двухкальциевый гидроалюминат 2СаО · Al₂O₃ · 7Н₂О – главная составляющая часть затвердевшего глиноземистого цемента. Гидратация глиноземистого цемента сопровождается выделением значительного количества тепла. Это ценно для работ при низких температурах.

В затвердеваемом цементном камне не содержится свободного Са(ОН)₃ и 3СаО · Al₂O₃ · 6Н₂О и это делает его более стойким в отношении физической и сульфатной коррозии.

Схватывание глиноземистого цемента начинается через час после затворения и длится не более 12 часов. Твердение происходит в основном в течение 1-3 дней.

Дата добавления: 2015-07-11