Минеральные воздушные вяжущие вещества

Минеральные воздушные вяжущие  вещества

Строительными вяжущими материалами (или просто вяжущими) называются материалы, предназначенные  для связывания разнородных компонентов  в искусственные конгломераты (бетоны, растворы, мастики и др.). По составу  их можно разделить на две большие  группы: минеральные (неорганические) и органические.

Минеральные вяжущие — тонкодисперсные вещества, образующие при смешивании с водой  или водными растворами солей  пластичную массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное  состояние. В зависимости от условий  твердения минеральные вяжущие  делят на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны твердеть и сохранять прочность только на воздухе, а гидравлические и в воде. К воздушным вяжущим относят гипсовые, магнезиальные вяжущие, воздушную известь и жидкое стекло. Затворяя смесь кварцевого песка и некоторых добавок жидким стеклом, получают кислотоупорный цемент, который после предварительного твердения на воздухе может сопротивляться агрессивному воздействию ряда кислот.

Для большинства  минеральных вяжущих характерны при за-творении водой или водными  растворами солей реакции гидратации и гидролитической диссоциации. Поэтому их можно отнести к группе гидратационных.

В отличие  от них органические вяжущие твердеют за счет коагуляционного структурообразования, реакций полимеризации. По коагуляционному механизму затвердевают и глины, значение которых как вяжущих невелико.

Сырьевыми материалами для производства минеральных  вяжущих служат гипсовые, известняковые, глинистые, мергелистые и другие горные породы или отходы и вторичные  продукты других производств— шлаки, золы, шламы и др. Общей для большинства минеральных вяжущих технологической операцией является обжиг сырьевой смеси с целью прохождения необходимых физико-химических процессов. Для достижения высокой гидрата-ционной активности вяжущих их измельчают и доводят до порошкообразного состояния. Для регулирования свойств вяжущих в их состав вводят различные добавки: пластификаторы, регуляторы схватывания, ускорители твердения, микронаполнители и др.

Для снижения стоимости и улучшения технических  свойств изделий (уменьшения усадки, улучшения трещиностойкости, теплостойкости и др.) вяжущие применяют обычно в сочетании с заполнителями.

Гипсовые  вяжущие

Гипсовыми вяжущими называют материалы, состоящие  из полуводного гипса CaSO4-0,5H2O или  ангидрита CaS04 и образуемые в результате тепловой обработки и помола сырьевых материалов, включающих двуводный или безводный сернокислый кальций. Двуводный гипс — минерал, входящий в различные горные породы — гипсовый камень, глиногипс и др., а также в искусственные продукты — отходы промышленности — фосфо-гипс, борогипс и др.

При нагреве  двуводного гипса протекает ряд химических процессов, приводящих к образованию веществ, обладающих вяжущими свойствами. Основными из них являются модификации полуводного гипса (полугидрата) CaSO4-0,5H2O — продукта частичной дегидратации двуводного гипса (CaS04-2H20 = = CaSO4-0,5H2O-f-1,5Н20). Из полуводного гипса состоят широко распространенные низкообжиговые гипсовые вяжущие, главными представителями которых являются строительный и высокопрочный гипс. Эти вяжущие материалы получают при низкой температуре обжига гипса (110—180° С). Когда нагревание гипса осуществляется в открытых аппаратах и кристаллизационная вода выделяется в виде водяных паров, образуются высокодисперсные кристаллы |}-CaS04-0,5Н2О, слагающие строительный   гипс.   При   удалении   кристаллизационной воды в жидком состоянии образуются крупные кристаллы а-по-лугидрата — основной фазы высокопрочного гипса.

Причина различия вяжущих свойств (3- и а-полугидратов заключается в их различной водопотребности, обусловленной особенностями кристаллического строения. При затворении водой а-полугидрат в результате меньшей водопотребности и как следствие меньшей пористости в затвердевшем состоянии обладает более высокой прочностью.

Из гипсовых вяжущих промышленность выпускает в основном строительный гипс, процесс производства которого состоит в дроблении и тепловой обработке гипсового камня, а также тонком измельчении. Распространенным аппаратом для термической обработки строительного гипса являются варочные котлы. Высокопрочный гипс получают в автоклавах.

Схватывание и твердение гипсовых вяжущих  обусловлено переходом   полугидрата   в   кристаллический   двуводный   гипс 
 . Реакция гидратации и кристаллизации двугидрата протекает оыстро и завершается через несколько минут после затворения. Прочность гипса повышается по мере высушивания и удаления воды. Основными особенностями строительного гипса являются: быстрое схватывание и твердение, повышенные водопотребность и пористость, способность увеличиваться в объеме на 0,5—1% в начальный период твердения, подверженность деформациям ползучести, низкая водостойкость.

Качество  гипсовых вяжущих определяется сроками схватывания, тонкостью помола, водопотребностью, пределом прочности при сжатии и изгибе. В зависимости от сроков схватывания гипсовые вяжущие делят на три группы: быстротвердеющие (А), нормальнотвердеющие (Б) и медленнотвердеющие (В). Для первых двух групп начало схватывания должно наступать не ранее соответственно 2 и 6 мин, конец — не позднее 15 и 30 мин. Для гипсовых вяжущих группы В начало схватывания наступает не ранее 20 мин.

Тонкость  помола гипсовых вяжущих оценивается  просеиванием на сите с размером ячеек  в свету 0,2 мм. Для вяжущих грубого (I), среднего (II) и тонкого (III) помола остаток на сите должен быть не более соответственно 23, 14 и 2%.

Для получения  теста нормальной густоты строительный гипс требует до 50—70% воды, высокопрочный  — 30—40%. Теоретически для гидратации полуводного гипса необходимо 18,6% воды от массы вяжущего, и вся  избыточная вода, удаляясь при сушке, образует поры, снижающие прочность  вяжущего. Снижению водопотребности гипсовых вяжущих способствуют замедлители схватывания, позволяющие уменьшить на 10—15% нормальную густоту.

Для замедления сроков схватывания гипсовых вяжущих  возможно применение добавок, уменьшающих  растворимость полу-гидрата при определенной концентрации (аммиак, этиловый спирт и др.), образующих труднорастворимые соединения (фосфаты, бура и др.), веществ, уменьшающих скорость образования кристаллических зародышей при гидратации гипса (лигно-сульфонаты, кератиновый замедлитель и др.).

Строительный  гипс

Марку гипсовых вяжущих по прочности определяют испытанием на сжатие и изгиб образцов-балочек 40X40X 160 мм в возрасте 2 ч после затворения водой. Все гипсовые вяжущие делятся по прочности на 12 марок: от Г-2 до Г-25 (численное значение марки соответствует минимальному пределу прочности образцов при сжатии в мегапаскалях). Для строительного гипса наиболее характерны марки Г-5, Г-6, Г-7 с нормируемым пределом прочности при изгибе не менее соответственно 25' 3 и 3,5 МПа.

При транспортировании  и хранении гипсовые вяжущие должны быть защищены от увлажнения и загрязнения.

Строительный  гипс применяется для производства листов для обшивки стен и перекрытий (гипсовая сухая штукатурка), перегородочных плит и панелей, стеновых камней, архитектурно-декоративных изделий, вентиляционных коробов и т. д. Гипсовые и гипсобетонные изделия обладают небольшой средней плотностью, несгораемостью, но снижают при увлажнении прочность и характеризуются пластическими деформациями под нагрузкой.

Гипсовые  изделия могут эксплуатироваться  при относительной влажности  воздуха не более 60%. Водостойкость  их повышается с введением 5—25% извести, гранулированного доменного шлака, при пропитке карбамидными смолами, кремнийорга-ническими жидкостями.

Успешно применяются  в строительстве водостойкие  г и п с о-цементно-пуццолановые вяжущие вещества (ГЦПВ). Эти вяжущие получают путем тщательного смешивания 50—70% строительного гипса, 15—25% портландцемента и 10—25% гидравлической добавки. ГЦПВ сочетают достоинства строительного гипса и портландцемента: быстро твердеют и набирают прочность, обладают водостойкостью и сульфатостой-костью, низкой ползучестью.

Близкими  по свойствам к гипсоцементно-пуццолановым вяжущим являются гипсошлакоцементные вяжущие (ГШЦВ). На основе ГЦПВ и ГШЦВ получают бетоны, достигающие 30—40% марочной прочности через 2—3 ч после изготовления.

В современном  строительстве по масштабам применения гипсовые вяжущие уступают цементу  и извести. Однако благодаря простоте технологии, пониженным тепло- и энергозатратам и другим преимуществам значимость их возрастает. Затраты топлива на изготовление 1 т гипсового вяжущего вчетвепо. я улрльныр капитальные вложения вдвое ниже, чем на производство 1 т цемента. Изделия, выпускаемые на основе гипсовых вяжущих, отличаются гигиеничностью, сравнительно небольшой средней плотностью, высокой тепло- и звукоизолирующей способностью, огнестойкостью, архитектурной выразительностью.

Строительная  воздушная известь

Строительной  воздушной известью называют продукт  обжига кальциевых и магнезиальных  карбонатных пород, состоящий преимущественно  из оксида кальция.

Для получения  воздушной извести сырьевые материалы  — мел, известняки и доломиты должны содержать не более^б—8% глинистых примесей. При большем содержании примесей образуется гидравлическая известь.

Известь классифицируют по содержанию активного оксида магния на кальциевую , магнезиальную (MgO = 5— 
20%) и доломитовую (MgO = 20—40%), а по фракционному составу — на комовую и порошкообразную.

Различают следующие виды извести: негашеную  комовую, негашеную молотую, гидратную (пушонку) и известковое тесто.

Негашеная комовая известь является полуфабрикатом для получения других видов извести  и образуется непосредственно в  результате обжига исходного сырья. В основе процесса получения извести  лежит реакция диссоциации карбоната  кальция 
 
Тепловой эффект Q реакции составляет 178,16 Дж на 1 моль (100 г) СаС03. Степень и скорость завершения реакции разложения углекислого кальция будут зависеть от парциального давления углекислого газа, температуры, наличия примесей и др. Парциальное давление С02 достигает атмосферного давления примерно при 900° С, температура в заводских условиях может достигать 1000—1200° С.

Среди известеобжигательных печей наиболее широко применяются шахтные печи, что объясняется простотой их конструкции и эксплуатации, высокой тепловой эффективностью, малыми капитальными затратами на сооружение и высокими удельными съемами продукции. Шахтные печи работают непрерывно: через определенные промежутки времени в верхнюю часть загружают известняк, антрацит или кокс, а из нижней выгружают готовую известь. Необходимый для горения топлива воздух поступает снизу и охлаждает известь.

Для обжига извести применяют также вращающиеся  печи, имеющие высокую производительность, позволяющие использовать мелкие фракции  известняков, малопрочные карбонатные породы и получать продукт с более стабильными свойствами. Перспективными являются агрегаты для скоростного обжига извести во взвешенном состоянии (в кипящем слое).

Негашеная комовая известь может быть использована либо для гашения в порошок-пушонку или тесто, либо для получения молотой извести.

Качество  негашеной извести. Гидратная известь

Качество  негашеной извести зависит от содержания в ней свободных активных оксидов кальция и магния (активности) и структуры. На реакционную способность  СаО и MgO оказывает влияние температура обжига. С повышением температуры обжига известняков увеличивается и размер кристаллов СаО и MgO. В результате перекристаллизации и спекания оксидов кальция и магния известь уплотняется, гашение происходит с небольшой скоростью и образуется пережог. Присутствие в извести медлен-ногасящихся частиц вызывает в затвердевших растворах и изделиях внутренние напряжения и как результат — снижение прочности и морозостойкости, появление трещин и т. д.

В табл. 6.1 приведены  требования к кальциевой негашеной  и гидратной извести. Для молотой  и гидратной извести важнейшим  показателем качества является, кроме  того, степень дисперсности, которая  определяется полным остатком на ситах  № 02 и № 008 (размер отверстий соответственно 200 и 80 мкм), который должен быть соответственно не более 1,5 и 15%.

Для повышения  водостойкости и улучшения других свойств известковых растворов  при измельчении извести вводят активные минеральные добавки: золы, шлаки, горелые породы и пр. Можно  вводить также кварцевый песок, гипс.

Важнейшей особенностью негашеной извести  является способность к гашению, т. е. бурному взаимодействию с водой, с переводом оксидов кальция  и магния в их гидраты. Этот процесс  протекает по реакции 
на тонкодисперсные частицы. Время гашения для быстрогася-щейся извести составляет не более 8 мин, среднегасящейся — не более 25 мин и медленногасящейся — более 25 мин. Процесс гашения протекает быстро при высоком содержании СаО и умеренной температуре обжига.