3.2 Воздушные вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества – это воздушные вяжущие, состоящие в основном, из полуводного гипса или ангидрида () и получаемые тепловой обработкой сырья и последующим помолом. Сырьем для получения гипсовых вяжущих чаще всего служит горная порода гипс, состоящая преимущественно из минерала гипса . Кроме этого используются ангидрит и отходы промышленности (например, фосфогипс - отход переработки природных фосфатов в суперфосфат; борогипс). В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие вещества подразделяются на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой природного гипса при низких температурах (110-180 °С). Они состоят в основном из полуводного гипса, так как дегидратация сырья при указанных температурах приводит к превращению двуводного гипса в полугидрат . К низкообжиговым гипсовым вяжущим относятся: строительный, формовочный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс изготовляют низкотемпературным обжигом гипсовой породы (гипсового камня) в варочных котлах или в печах. В первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом в виде порошка нагревают в котлах. Имеются промышленные установки, в которых совмещены помол и обжиг. Строительный гипс состоит в основном из кристаллов -модификации . Содержит также некоторое количество ангидрита и частицы неразложившегося сырья .

По срокам схватывания гипсовые вяжущие делят на три группы:

- А – быстросхватывающиеся (2-15 минут);

- Б – нормальносхватывающиеся (6-30 минут);

- В – медленносхватывающие (начало схватывания не ранее 20 минут).

ГОСТ 125-79 разделяет все гипсовые вяжущие по прочности на 12 марок: от Г-2 до Г-25.

Предел прочности стандартных образцов, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты через 2 часа должен соответствовать следующим данным, представленным в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Прочностные характеристики строительного гипса

Показатели прочности, мПа, не менее	М а р к и
	Г-5	Г-6	Г-7
При сжатии При изгибе	5,0 2,5	6,0 3,0	7,0 3,5

Высококачественный гипс получают термической обработкой высокопрочного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением пара. Он состоит из - модификации полуводного сульфата Са, более активной, чем - модификация. В связи с этим прочность этого гипса при сжатии составляет 15-25 МПа, что значительно превышает прочность строительного гипса (примерно в шесть раз). Из высокопрочного гипса изготавливают элементы стен и сборных перегородок, камни для стен.

Формовочный гипс состоит в основном из - модификации полугидрата Са. Он содержит незначительное количество примесей. Размалывается тонко. Используется в керамической и фарфоро-фаянсовой промышленности для изготовления форм.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие изготовляют путем обжига гипсового камня при высоких температурах (600-900 °С). Состоят они преимущественно из ангидрита , который частично подвергается термической диссоциации с образованием СаО. Небольшое количество СаО в составе вяжущего играет роль активизатора процесса химического взаимодействия ангидритового вяжущего с водой. Известен способ получения ангидритового вяжущего без обжига (по способу Будникова).Сущность его заключается в следующем. Природный ангидрит размалывается совместно с активизаторами твердения (известью, обожженным доломитом). Высокообжиговый гипс (в отличие от строительного) медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность при сжатии выше – 10-20 МПа. Поэтому этот гипс применяют при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления искусственного мрамора.

При твердении строительного гипса происходит химическая реакция присоединения воды с образованием двуводного сульфата кальция:

=.

При гидратации 1 кг - полугидрата Са выделяется 133 кДж тепла. Так как растворимость полугидрата Са в воде 8 г/л (считая на ), а двугидрата – 2 г/л, то вскоре после затворения строительного гипса водой создаются условия для образования в перенасыщенном растворе зародышей кристаллов двугидрата Са. Схватывание (загустевание) гипсового теста начинается с образования рыхлой пространственной коагуляционной структуры, в которой кристаллики двугидрата связаны слабыми ван-дер-вальсовыми силами молекулярного сцепления. После схватывания происходит твердение, обусловленное ростом кристаллов новой фазы, их срастанием и образованием кристаллизационной структуры.

Изготовленные гипсовые изделия сушат при температуре 60-70 °С, что повышает прочность контактов срастания кристаллов и самих изделий вследствие удаления пленочной воды. Для уменьшения количества воды затворения в гипсовые растворы вводят пластифицирующие добавки, применяют метод интенсивного уплотнения.

Гипсовые вяжущие используются для изготовления гипсовых деталей и гипсобетонных изделий – перегородочных панелей, сухой штукатурки, для приготовления штукатурных растворов (внутренняя штукатурка) и получения гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ). Нередко при применении быстросхватывающегося гипса требуется замедлить схватывание. С этой целью в воду затворения добавляют животный клей или СДБ. Эти добавки адсорбируются на частицах гипса и образуют адсорбционную пленку, затрудняющую растворение полугидрата и начало его схватывания.

В процессе твердения гипсовый раствор немного увеличивается в объеме, что благоприятствует изготовлению архитектурных деталей способом литья.

Магнезиальные вяжущие вещества – каустический магнезит и каустический доломит – тонкие порошки, главной составной частью которых является оксид магния.

Каустический магнезит получают при обжиге горной породы магнезит в шахтных или вращающихся печах при температуре 700-800 °С. В результате магнезит разлагается по реакции:

.

Реакция разложения обратимая, поэтому при обжиге магнезита необходимо интенсивно удалять из печи при помощи искусственной или естественной тяги. Оставшееся твердое вещество, оксид магния, измельчают в тонкий порошок и упаковывают в металлические барабаны.

Каустический магнезит сравнительно быстро твердеет. Схватывание его должно наступать не ранее 20 минут, а конец – не позднее 6 часов с момента затворения. СНиП I-В. 2-62 установлены 3 марки каустического магнезита: 400, 500, 600. Марки определяют по показателям прочности при сжатии образцов-кубов из жесткого трамбованного раствора состава 1:3 (по массе) через 28 суток воздушного твердения.

Каустический доломит получают путем обжига при температуре 650-750 °С природного доломита с последующим тонким измельчением продукта. При температуре обжига остается в инертном виде как балласт, из-за чего активность каустического доломита ниже, чем магнезита. Марки каустического доломита – 100-300.

Магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а водными растворами солей сернокислого или хлористого магния. Чаще всего используют хлористый магний. Это ускоряет твердение и значительно повышает прочность, так как наряду с гидратацией оксида магния происходит образование гидрохлорида магния - . При затворении водой оксид магния гидратируется очень медленно. Магнезиальные вяжущие отличаются высокой прочностью, достигающей при сжатии 600-1000 кгс/см² (60-100 МПа), хорошо сцепляются с деревом, поэтому их можно применять для изготовления фибролита и магнезиально-опилочных (ксилолитовых) полов - монолитных и плиточных. Из-за того, что магнезиальные вяжущие сабо сопротивляются действию воды, их можно использовать при твердении на воздухе с относительной влажностью не более 60 %. Так как каустический магнезит легко поглощает влагу и углекислоту воздуха, образуя гидрат оксида магния и углекислый магний, хранить его надо в герметичной таре.

Применяют магнезиальные вяжущие также при производстве изделий для внутренней облицовки помещений, для устройства оснований под чистые полы, скульптурных изделий.

Воздушная строительная известь. Известь, как и гипс, древнейшее вяжущее вещество. Её применяли в строительстве за несколько тысяч лет до нашей эры. Воздушная известь – продукт умеренного обжига кальциево-магниевых карбонатных горных пород: мела, известняка, доломита с содержанием глины не более 6 %. Основной составляющей известняка является карбонат кальция . Обжигают известняк при температуре 900-1200 °С до возможно более полного удаления по реакции:.

Гашение извести сопровождается разогревом массы вследствие выделения значительного количества тепла. В процессе гашения куски негашеной извести самопроизвольно диспергируются, распадаясь на тонкие частицы размером в несколько микронов (тоньше, чем цемент).

Воздушная известь является единственным вяжущим веществом, которое превращается в тонкодисперсное вещество химическим диспергированием.

Большая удельная поверхность частиц обусловливает большую водоудерживающую способность и пластичность известкового теста. При отстаивании известковое тесто содержит около 50 % твердых частиц и 50 % воды. Каждая частица окружена тонким слоем адсорбированной воды, играющей роль своеобразной гидродинамической смазки.

Высокая пластичность известкового теста в смеси с песком – это то свойство, которое так ценится при изготовлении строительных растворов.

Гашение комовой извести в тесто на специализированных растворных заводах производят в известегасильных машинах. Механизированное гашение ускоряет процесс, повышает качество известкового теста. На небольших стройках комовую известь сначала гасят в творилах и известковое тесто через сетку сливают в известегасильную яму, в которой завершается гашение. Известковое тесто выдерживают в яме не менее двух недель. Нельзя применять известковое тесто, в котором осталась непогасившаяся известь, так как её гашение в штукатурке и кладке вызовет растрескивание затвердевшего известкового раствора.

В зависимости от количества воды, добавляемой к комовой извести, можно получить известковое тесто или гидратную известь (пушонку). Гашение извести в пушонку осуществляют в гидраторах непрерывного действия, в которых выделяющееся тепло и водяные пары используют для превращения комовой извести в тончайший рыхлый порошок объемной массой 400-450 кг/м³. При гашении в пушонку известь увеличивается в объеме в 2-3,5 раза.

Известь применяется в строительстве как строительный раствор, то есть в смеси с песком и другими заполнителями. На воздухе известковый раствор постепенно отвердевает под влиянием двух одновременно протекающих процессов:

- высыхание раствора, сближение кристаллов и их срастание;

карбонизация извести под действием углекислого газа, который в небольшом количестве содержится в воздухе:

.

Образующийся карбонат кальция срастается с кристаллами и упрочняет известковый раствор. При карбонизации выделяется вода, поэтому штукатурку и стены, в которых используются известковые растворы, подвергают сушке.

Известковые растворы твердеют медленно, сушка ускоряет процесс их твердения.

Молотая негашенная известь. В 30-х годах прошлого столетия И.В.Смирнов предложил применять для изготовления искусственных безобжиговых камней и строительных растворов воздушную известь в тонкоразмолотом состоянии без предварительного гашения.

Строительные растворы и бетоны, приготовленные на молотой негашенной извести, быстро схватываются и отвердевают вследствие гидратационного твердения негашеной извести.

При правильно подобранном водоизвестковом отношении (0,9-1,5), кристаллы гидрооксида Са, получившиеся при гидратации СаО непосредственно в материале (), срастаются между собой и образуют прочный кристаллический сросток. Саморазогревание материала (раствора или бетона) способствует ускорению твердения и росту прочности раствора, что особенно важно при зимних работах (каменной кладке, штукатурке). Во избежание чрезмерного разогрева нужно позаботиться об отводе излишнего экзотермического тепла. При этом никаких трещин от гашения извести не образуется, а воздушная известь ведет себя как быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество.

В молотую негашеную известь и гидратную известь (пушонку) разрешается вводить тонкомолотые минеральные добавки: доменный и топливный шлаки, золы, известняк. Продукт совместного помола негашеной извести и карбонатной породы называется карбонатной известью. Молотую негашеную известь обычно используют сразу после помола, так как она теряет свои свойства вследствие поглощения влаги из воздуха.

В зависимости от содержания оксида магния воздушная известь разделяется на:

- кальциевую ();

- магнезиальную ();

высокомагнезиальную или доломитовую ().

Наиболее важными показателями качества извести является активность – процентное содержание оксидов, способное гаситься; количество непогасившихся зерен (недожог или пережог); время гашения.

В зависимости от времени гашения извести всех сортов различают: быстрогасящуюся известь, с временем гашения до восьми минут; среднегасящуюся, (не более 25 минут), и медленногасящуюся, (более 25 минут).

Строительные растворы на воздушной извести имеют невысокую прочность. Так, известковые растворы через 28 суток воздушного твердения имеют предел прочности при сжатии: на гашеной извести – 0,4-1,0 МПа, на молотой негашеной извести – до 5,0 МПа. Сорт воздушной извести устанавливают не по прочности, а по характеристике её состава.

Таблица 3.2 - Важнейшие показатели качества кальциевой воздушной

извести (негашеной комовой или молотой)

Наименование	С о р т а
	1	2	3
Содержание активных зерен () в пересчете на сухие вещества, не менее, %	90	80	70
Содержание непогасившихся зерен в негашеной комовой извести, не более, %	7	11	14

Чем меньше глинистых и других примесей в исходном известняке, тем выше активность извести, быстрее происходит её гашение и больше выход известкового теста. Большое количество извести идет на изготовление силикатного кирпича и силикатных бетонов: ячеистых, тяжелых, а также используется в смешанных вяжущих.

Известково-шлаковые и известково-пуццолановые вяжущие вещества получают, основываясь на способности тонкоизмельченных гранулированных доменных шлаков твердеть при добавке извести. Обычно шлак размалывают совместно с воздушной известью, содержание которой в вяжущем составляет 20-30 %. При помоле добавляют 3-5 % гипса для улучшения процессов твердения. Известь реагирует с низкоосновными алюминатами и силикатами шлака, способствует образованию высокоосновных гидроалюминатов и гидросиликатов Са. Добавляемый гипс реагирует в водном растворе с алюминатами Са, образуя гидросульфоалюминат Са. В результате обоих этих процессов возрастает прочность вяжущего. Известковошлаковые вяжущие схватываются и твердеют медленно, но при термовлажностной обработке твердение ускоряется. Они стойки в пресной воде, но имеют низкую морозостойкость. Используются при изготовлении строительных растворов и в бетонах низких марок.

Известково-пуццолановые вяжущие изготовляют путем совместного помола трепелов, диатомитов и других активных минеральных добавок с известью. При твердении во влажных условиях или в воде образуются низкоосновные гидросиликаты Са, которые способны на воздухе в сухих условиях дегидратироваться, причем прочность изделия может сильно снижаться. Прочность этих вяжущих невелика. Применяются там же, где и известково-шлаковые вяжущие.

Растворимое или жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия или силиката калия, имеющий желтый или коричневый цвет, плотностью 1,3-1,5 г/см³ при содержании воды 50-70 %. Состав щелочных силикатов выражается формулой , где - это натрий или калий, т – модуль жидкого стекла. У натриевого стекла т = 2,5-3,0, у калиевого т = 3,0-4,0.

Стекло варят из кварцевого стекла и соды в стеклоплавильных печах (как обычное стекло) и когда расплав застывает, образуются непрозрачные твердые куски. Жидкое стекло получают растворением раздробленных кусков в воде при повышенной температуре и давлении 0,6-0,7 МПа.

Натриевое жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и жароупорных бетонов, для уплотнения грунтов.

Калиевое стекло, более дорогое, применяют преимущественно в силикатных красках.

Жидкое стекло относится к воздушным вяжущим веществам. Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидролизу:

Выделяющийся гель кремниевой кислоты обладает вяжущими свойствами. Водный раствор имеет щелочную реакцию. Для ускорения твердения жидкого стекла к нему добавляют кремнефтористый натрий , ускоряющий выпадение геля кремневой кислоты и гидролиз жидкого стекла.