Лекция 5 по материаловедению (тема 4, 1-й курс)
Тема. Вяжущие материалы. Теория неорганических (минеральных) вяжущих
В данной теме излагаются основные положения теории и основ технологии вяжущих. Различные группы вяжущих (гипсовые, известковые, магнезиальные, цементы) будут изучаться в следующем семестре (на лекции в курсе строительных материалов и на практических занятиях по ТКМ). В данной лекции отдельные вяжущие приводятся лишь для иллюстрации основных положений. Отдельно в этом семестре рассматривается только портландцемент как главное строительное вяжущее (следующая лекция).
1. Определение классификация вяжущих
Вяжущие материалы – минеральные и органические вещества и композиции, способные из жидкотекучего или пластичного состояния переходить в твердое состояние.
Строительные вяжущие материалы предназначены для скрепления (склеивания, омоноличивания) частей материала или конструкции.
По принципу применения различные вяжущие материалы (в дальнейшем – вяжущие) можно считать разновидностями неорганических или органических клеев.
По типу процессов, приводящих к отвердеванию жидкотекучей или пластичной дисперсии, вяжущие можно разделить на три вида (рис.1).
Рис.1. Схема классификации вяжущих
Гидратационные вяжущие – неорганические порошкообразные материалы, образующие после смешивания с водой (затворения) пластичное тесто, которое с течением времени постепенно самопроизвольно теряет подвижность (схватывается) и затвердевает в камень. Все гидратационные вяжущие – неорганические вещества или смеси неорганических веществ.
Различают две группы гидратационных вяжущих (см. рис.1).
Воздушные вяжущие после затворения водой схватываются и твердеют только на воздухе. При этом более прочным камень вяжущего получается в сухом воздухе.
Гидравлические вяжущие после затворения водой и кратковременного схватывания на воздухе твердеют (набирают прочность) как на воздухе, так и в воде. При этом в воде или в атмосфере насыщенного влагой воздуха камень вяжущего получатся более прочным, чем в сухом воздухе.
К воздушным вяжущим относят, например, известь и строительный гипс. Гидравлические вяжущие называют цементами. Главное строительное вяжущее – портландцемент.
При схватывании и твердении гидратационных вяжущих (как воздушных, так и гидравлических) происходят сложные физико-химические процессы: гидратация (взаимодействие с водой), образование новой твердой фазы продуктов гидратации в виде коллоидных частиц, коагуляция (слипание частиц), кристаллизация (переход аморфного коагулята в кристаллическую фазу).
Коагуляционные вяжущие, в отличие от гидратационных, схватываются и твердеют вследствие физического процесса коагуляции, т.е. слипания коллоидных частиц, из которых они состоят в исходном пластическом состоянии.
Коагуляционные вяжущие могут быть неорганическими или органическими. Наиболее известное неорганическое коагуляционное вяжущее – глина. Ее переводят в пластическое состояние затворением водой. Никаких химических взаимодействий при этом не происходит. Глина состоит из частиц размером не более 0,01 мкм, которые легко образуют с водой пластичное тесто, затвердевающее при высыхании вследствие испарения воды и слипания частиц. Глину используют в качестве вяжущего, например, в строительных растворах для кладки печей.
Пример органического коагуляционного вяжущего – нефтяной битум (природный или искусственный). Он также состоит из коллоидных мицелл с твердым ядром в центре и вязкими периферийными слоями из смол и масел. Для перевода в рабочее состояние битум разогревают. При этом уменьшается вязкость масел и смол, битум становится пластичным, а при достаточном нагреве – жидкотекучим. При остывании происходит повышение вязкости битума вплоть до отвердевания. Коллоидные мицеллы снова слипаются, достигается склеивающий или гидроизолирующий эффект. Битум используют в качестве вяжущего в асфальтобетонах, в гидроизоляционных материалах, для приклеивания мягких кровельных материалов и во многих других случаях.
Полимерные вяжущие схватываются и твердеют вследствие химического процесса полимеризации или поликонденсации. В жидкотекучем или пластичном состоянии такие вяжущие состоят обычно из смол-олигомеров (с низкой степенью полимеризации). При отвердевании повышается степень полимеризации вследствие удлинения или поперечной сшивки молекул. Процесс инициируется нагреванием или действием специальных веществ – отвердителей. Органические полимерные вяжущие используют во всех пластмассах, полимербетонах, полимерных клеях, герметизирующих мастиках.
К неорганическим полимерным вяжущим относится так называемое жидкое стекло – растворимый силикат натрия или калия. При твердении силиката образуются полимерная пространственная структура из кремнекислородных тетраэдров. Процессу полимеризации, однако, предшествует гидролиз силиката, поэтому жидкое стекло иногда относят к гидратационным воздушным вяжущим. Жидкое стекло применяют для получения кислотоупорных цементов и бетонов.