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.