Понятие о неорганических вяжущих материалах, их свойства

Воздушные неорганические вяжущие 1. Понятие о неорганических вяжущих материалах, их свойства В строительстве широко применяют как неорганические (минеральные), так и органические вяжущие материалы. Неорганические (минеральные) вяжущие – это тонкодисперсные материалы, способные при смешивании с водой или водными растворами солей, кислот или щелочей образовывать пластичную вязкую массу, которая со временем затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело. Неорганические вяжущие гидрофильны, в пластичное состояние переводятся при смешивании с водой. Органические вяжущие (битумы, дегти, смолы) гидрофобны (то есть с водой не смешиваются), в пластичное состояние переводятся при нагревании или смешивании с органическими растворителями. Неорганические вяжущие бывают воздушными и гидравлическими. Воздушные вяжущие после смешивания с водой способны набирать прочность только на воздухе, продукты их твердения неустойчивы в воде. К воздушным вяжущим относятся воздушная известь, магнезиальное и гипсовые вяжущие. Гидравлические вяжущие после смешивания с водой и начального твердения на воздухе способны твердеть в воде. Продукты их твердения сохраняют свою прочность в воде. К гидравлическим вяжущим относятся гидравлическая известь, портландцемент, глиноземистый цемент, гипсоцементопуццолановое вяжущее, шлакопортландцемент и другие виды цементов. Неорганические вяжущие должны обладать высокой степенью дисперсности (быть хорошо измельчены). Чем выше степень дисперсности вяжущего, тем больше общая площадь поверхности частиц. Поверхностные молекулы, обладая повышенной энергией, активно взаимодействуют с водой, поэтому материал быстрее набирает прочность. Для того чтобы облегчить процесс измельчения вяжущего, используют специальные поверхностно-активные добавки – диспергаторы. В качестве диспергаторов применяют ПАВы 2-й группы, которые значительно снижают поверхностное натяжение. Такие вещества адсорбируются на поверхности раздела, в результате ослабевают связи между молекулами твердого вещества, оно легче измельчается. Кроме этого, диспергаторы предотвращают повторное слипание мелких частиц друг с другом и налипание частиц на стенки мельниц и поверхности шаров в шаровых мельницах. На цементных заводах для интенсификации помола применяют мылонафт, асидол, кубовые остатки синтетических жирных кислот. Добавки вводят в мельницы в количестве 0,05 – 0,3 % от веса измельчаемого материала. Введение даже таких незначительных количеств добавок позволяет увеличить производительность мельниц на 15 – 20 % при одинаковом количестве электроэнергии, расходуемой на помол. Неорганические вяжущие должны быть пластичными, то есть способны изменять свою форму под действием усилия без разрушения и сохранять её после снятия нагрузки. Чем выше пластичность вяжущего, тем более плотным, а значит прочным, водо-, коррозионно- и морозостойким будет затвердевший материал. Причины, объясняющие пластичность вяжущего теста, связаны с особыми свойствами тонких слоев воды, прилегающих к поверхности твердых частиц. Молекулы воды в тонких слоях взаимодействуют с поверхностными молекулами твердого вещества и, в зависимости от природы этого вещества, ориентируются определенным образом. Упорядоченное строение молекул изменяет свойства воды. По прочности вода в тонких пленках значительно превышает жидкую воду и приближается к прочности кристаллической воды (льда). Толщина воды в тонких пленках очень мала – это доли микрон. Но эти тонкие слои «полутвердой» воды выполняют две функции. Они удерживают частицы вяжущего, придавая тесту определенную прочность, и одновременно облегчают скольжение частиц друг относительно друга, что повышает пластичность материала. Но на практике часто бывает недостаточно пластичности, обеспечиваемой водой в тонких пленках, а увеличивать ее за счет увеличения количества воды нельзя – это приведет к снижению прочности готового изделия. Для повышения пластичности используют специальные пластифицирующие добавки: воздухововлекающие, гидрофилизующие и гидрофобизующие. К воздухововлекающим добавкам относят натриевые мыла смоляных кислот, например абиетат натрия, получаемый омылением канифоли. Эти добавки при перемешивании смеси вяжущего создают пену, вовлекая воздух в смесь. Вовлеченный воздух увеличивает объем вяжущего теста, снижает внутреннее трение смеси и ее структурную вязкость, повышает пластичность и удобоукладываемость бетонной смеси. Структурные пленки ПАВ препятствуют расслаиванию бетонной смеси. По внешнему виду такая смесь напоминает студнеобразную массу – гель, которая при перемешивании переходит в жидкое состояние. Применение ПАВ позволяет снижать объем воды, необходимый для затворения. Исследования под микроскопом показали, что поры в бетоне, изготовленном с использованием воздухововлекающих добавок, очень мелкие, их форма стремится к правильной сферической. Твердение бетонной смеси с вовлеченными в нее пузырьками отличается от обычного. Пузырьки воздуха перекрывают каналы, по которым движется вода, не позволяя ей испаряться. Вся вода расходуется на процесс гидратации. Пузырьки воздуха выполняют роль заполнителя, дополняя зерновой состав песка в области мелких фракций и повышая пластичность смеси без увеличения количества воды. Но, в отличие от твердого заполнителя, пузырьки воздуха могут сжиматься при возникающих внутренних напряжениях, предотвращая возникновение трещин и деформаций. Именно по этой причине морозостойкость бетона с замкнутой пористостью выше, чем низкопористого бетона с открытыми порами. Наиболее эффективно применение воздухововлекающих добавок для бетонных смесей, содержащих мало цемента и много заполнителя. Гидрофилизующие добавки улучшают смачивание частиц вяжущего водой. Чаще всего в качестве гидрофилизующей добавки используют ЛСТ (лигносульфонат технический) – продукт взаимодействия серной кислоты с лигнином древесины. Основной компонент этой добавки – кальциевые соли лигносульфоновых кислот (лигносульфонаты кальция), им соответствует общая формула [(RSO3)2Ca]n. Молекулы лигносульфонатов кальция адсорбируются на поверхности частиц вяжущего, при этом нарушается строгая ориентация молекул воды в тонких пленках и облегчается их взаимодействие со «свободной» водой. Это облегчает перемещение частиц вяжущего относительно друг друга и повышает пластичность смеси. Действие гидрофилизующих добавок наиболее эффективно в смесях, содержащих много вяжущего, так как действие добавки направлено на частицы вяжущего, а не на заполнитель. К гидрофобизующим добавкам относятся нафтеновые кислоты, водорастворимые нафтенаты, высшие синтетические жирные кислоты и их водорастворимые соли. Общая формула нафтеновых кислот СпН2п-1СООН, причем число атомов углерода изменяется от 8 до 13. Источник нафтеновых кислот – мылонафт (отходы, образующиеся при очистке дистиллятов нефти щелочью). Из мылонафта получают технические нафтеновые кислоты – асидол. Синтетические жирные кислоты получают окислением парафина, количество атомов углерода в них должно быть от 10 до 20. Молекулы этих соединений имеют небольшую полярную группу и длинный неполярный углеводородный радикал. При адсорбции полярные группы ориентируются к поверхности частицы вяжущего, а неполярные радикалы обращены наружу. Углеводородные радикалы не смачиваются водой, но плоскости, образованные этими радикалами, являются плоскостями скольжения, что облегчает перемешивание смеси вяжущего. Гидрофобизующие добавки облегчают перемещение частиц вяжущего не только друг относительно друга, но и относительно частиц заполнителя, поэтому они эффективны для смесей с низким содержанием вяжущего и большой долей заполнителя. Гидрофобизующие добавки не только увеличивают пластичность смеси, они снижают количество воды, необходимое для приготовления цементного теста, а также несколько замедляют время схватывания. Если гидрофобизующие добавки вводить в цемент в процессе его помола, то снижается гигроскопичность цемента, увеличивается срок его хранения. Бетон, изготовленный на основе вяжущего с поверхностно-активными добавками, обладает более высокой прочностью, морозостойкостью, коррозионной устойчивостью. Это объясняется тем, что пластифицированный бетон имеет меньше пор, его плотность выше, структура более однородная. ПАВ способны не только пластифицировать бетонные смеси, но и изменять структуру и основные свойства цементного камня. П.А. Ребиндер установил, что при твердении цементного камня рост зародышей кристаллизации под влиянием адсорбционных слоев ПАВ замедляется. Образуется гораздо большее число центров кристаллизации, благодаря чему размеры кристаллов становятся меньше, чем в отсутствии ПАВ. Цементный камень приобретает равномерную мелкокристаллическую структуру, обеспечивающую большую прочность цементным изделиям. Известно также, что силы сцепления между элементами кристаллической решетки зависят от направления решетки. Адсорбция ПАВ на разных гранях кристалла различна, поэтому рост кристалла в разных направлениях замедляется по-разному. Кристаллизация идет преимущественно по отдельным направлениям с образованием иглообразных кристаллов. В результате прочность затвердевшего камня увеличивается. 2. Общие закономерности процессов твердения неорганических вяжущих Процесс твердения неорганических вяжущих состоит из двух стадий: схватывания и собственно твердения. При смешивании вяжущего с водой начинается растворение его частиц, сопровождающееся процессами гидролиза и гидратации. Так как все вяжущие материалы плохо растворимы в воде, раствор быстро становится насыщенным. В процессе гидратации образуются кристаллогидраты, которые растворимы в воде еще меньше, чем безводные вещества, поэтому образуется пересыщенный раствор. Размеры частиц твердой фазы сначала не превышают 10־5 см, поэтому образуется не осадок, а коллоидный раствор. Концентрация кристаллогидратов увеличивается (так как процесс гидратации идет, пока в системе присутствует вода), происходит коагуляция, образуется гель. Момент образования геля является началом схватывания. Вяжущее тесто теряет свою пластичность и подвижность. Образовавшийся гель стареет (идет процесс синерезиса), теряет воду (частично вода испаряется, частично затрачивается на образование кристаллогидратов), но при этом сохраняет свою форму. Процесс схватывания завершается, когда в материале не остается воды. Образуется твердое тело, не имеющее ещё достаточной прочности. Далее происходит собственно твердение. Идёт процесс перекристаллизации, кристаллогидраты из менее устойчивых форм переходят в более устойчивые, связи между кристаллами упрочняются. Заканчивается процесс твердения тогда, когда материал набирает необходимую прочность. Например, для строительного гипса – это 2 часа, а для портландцемента – 28 суток. 3. Воздушная известь Воздушная известь является медленно твердеющим вяжущим. Прочность затвердевшего известкового раствора даже через месяц не превышает 0,5 – 1 МПа. Сырьем для получения воздушной извести являются известняк СаСО3, доломит с большим содержанием карбоната кальция СаСО3∙MgCO3, ракушечник, мел, мраморная крошка. Содержание глинистых примесей в сырье должно быть не более 6 %, иначе получится гидравлическая известь. Температура обжига зависит от вида сырья, его плотности, наличия примесей и обычно составляет 850 – 1200 оС. При этом происходит реакция декарбонизации: CaCO3 = CaO + CO2 ↑ (обжиг известняка) CaCO3∙MgCO3 = CaO + MgO + 2 CO2 ↑ (обжиг доломита) Доломит обжигают при более низкой температуре (до 900 оС), так как иначе будет образовываться малоактивный минерал периклаз, который плохо взаимодействует с водой. При обжиге известняка температуру нельзя повышать более 1200 оС, так как в этом случае происходит пережог извести, она получается в оплавленном малоактивном виде. Оксид кальция, полученный после обжига, называют негашеной известью. Это легкий пористый материал. Вес извести после обжига уменьшается почти в два раза, а объем – только на 10 – 12 %. Это указывает на пористую структуру обожженной извести. Теоретически её можно использовать в качестве вяжущего, но при смешивании с водой известь будет гаситься, выделится большое количество тепла, твердение будет происходить неравномерно, что приведёт к образованию трещин в твердеющем материале. Кроме того, использовать негашеную известь в качестве вяжущего опасно из-за вероятности её разбрызгивания при энергичном взаимодействии с водой. Поэтому негашеную известь предварительно гасят в специальных ёмкостях, получают гашеную известь, которую и используют в качестве вяжущего материала. При гашении извести протекает следующая реакция: CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q Реакция гашения сопровождается выделением большого (65 кДж/моль) количества тепла. Вода, попадая во множественные поры, за счет выделяющегося тепла превращается в пар, который измельчает куски извести до тонкодисперсного состояния. По этой причине гашеную известь называют ещё известь-пушонка. При смешивании гашеной извести с водой можно получить известковое тесто или известковое молоко. Скорость гашения зависит от величины кристаллов оксида кальция. Так, при размере кристаллов 0,5 мк известь гидратируется в течение 2 – 3 минут, а при размере кристаллов 4 – 5 мк гидратация длится 25 – 30 минут. Твердение гашеной извести происходит при взаимодействии с углекислым газом в присутствии некоторого количества воды: Ca(OH)2 + CO2 + nH2O = CaCO3 + (n+1)H2O Наиболее интенсивно карбонизация идет при влажности известкового раствора от 5 до 8 %. Большой избыток воды препятствует карбонизации, так как по принципу Ле Шателье увеличение концентрации одного из продуктов реакции смещает равновесие в сторону обратной реакции. Карбонизация известковых растворов протекает очень медленно, преимущественно в поверхностном слое. Образующаяся плотная пленка карбоната кальция препятствует дальнейшему проникновению углекислоты к внутренним слоям раствора. Добавление к известковому раствору песка способствует облегчению процессов диффузии углекислого газа в глубину раствора и ускоряет процесс карбонизации. Кроме того, продукт взаимодействия извести с песком обладает повышенной прочностью и водостойкостью. Но известь с песком реагирует очень медленно: Ca(OH)2 + 2 SiO2 = Ca(HSiO3)2 Для того, чтобы ускорить реакцию твердения извести с песком, материал обрабатывают в автоклавах (0,8 – 1,6 МПа, 175 – 200 оС). Именно таким образом получают силикатный кирпич. 4. Магнезиальное вяжущее Магнезиальное вяжущее (каустический магнезит) – быстротвердеющее (до 6 часов) прочное воздушное вяжущее. Сырьем для получения магнезиального вяжущего являются магнезит и доломит с большим содержанием карбоната магния. Также в качестве сырья может быть использован брусит Mg(OH)2. Обжиг магнезита проводят при температуре 600 – 650 оС. Этой температуры вполне достаточно, чтобы равновесие в реакции разложения карбоната магния было сильно смещено в сторону прямой реакции. Доломит обжигают при более высокой температуре (до 950 оС). Повышать температуру выше 950 оС нельзя, так как оксид магния при этом начинает плавиться, теряет пористую структуру, что значительно снижает активность вяжущего. Плотный крупнокристаллический оксид магния (периклаз) с водой практически не взаимодействует. Обжиг брусита ведут при температуре 550 – 600 оС. При обжиге происходят следующие реакции: MgCO3 = MgO + CO2↑ (обжиг магнезита); MgCO3∙CaCO3 = MgO + CO2↑ + CaCO3 (обжиг доломита); Mg(OH)2 = MgO + H2O (пар) (обжиг брусита) Обратите внимание, что реакция обжига доломита при получении каустического магнезита проводится при более низкой температуре, чем аналогичная реакция при получении негашеной извести, поэтому карбонат кальция остается неразложившимся. Такая инертная примесь снижает качество вяжущего. В зависимости от температуры обжига доломита получаются различные виды магнезиального вяжущего. При температуре 650 – 750 оС образуется смесь оксида магния и карбоната кальция, называемая каустическим доломитом. При температуре обжига, равной 750 – 850 оС, карбонат кальция начинает частично разлагаться. Смесь оксида магния, оксида кальция и карбоната кальция называется доломитовым цементом. Если доломит обжигать при температуре 900 – 950 оС, карбонат кальция полностью разлагается, полученная смесь оксидов кальция и магния называется доломитовой известью. В этом случае реакция обжига аналогична реакции обжига доломита при получении воздушной извести. Магнезиальное вяжущее имеет свои особенности твердения. Если большинство вяжущих твердеет при реакции с водой, то каустический магнезит с водой реагирует очень медленно и продукт этой реакции вяжущими свойствами не обладает. Взаимодействие магнезиального вяжущего с водой происходит по реакции MgO + H2O = Mg(OH)2 Каустический магнезит твердеет при реакции с водными растворами солей магния (хлоридами и сульфатами). Соли магния в водном растворе подвергаются гидролизу, при этом среда становится более кислая, а с кислотой оксид магния легко вступает во взаимодействие. При этом происходит следующая суммарная реакция: MgO + MgCl2 +H2O = 2 MgOHCl Чем больше концентрация хлорида магния, тем медленнее идет реакция твердения, но тем прочнее получается продукт. Магнезиальное вяжущее хорошо смешивается с опилками (получается ксилолит − материал для устройства полов) и с древесной стружкой (для изготовления теплоизоляционного материала фибролита). 5. Гипсовые вяжущие К гипсовым вяжущим относятся строительный гипс (β – гипс, алебастр), ангидритовое вяжущее и высокообжиговый гипс (эстрих-гипс). Строительный гипс – это высокопористое, быстросхватывающееся и быстротвердеющее воздушное вяжущее, не обладающее большой прочностью. Сырьем для получения строительного гипса служит природный гипсовый камень CaSO4·2H2O. Обжиг ведут при температуре 120 – 180 оС, при этом происходит удаление части воды: CaSO4∙2H2O = CaSO4∙0,5H2O + 1,5H2O Схватывание строительного гипса длится 4 – 30 минуты, а твердение – 1,5 – 2 часа. При этом происходит реакция, обратная реакции обжига: CaSO4∙0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4∙2H2O Строительный гипс применяют для отделочных работ, изготовления гипсовых и гипсобетонных изделий, сухой штукатурки, гипсокартона, искусственного мрамора, в качестве добавки к портландцементу. К достоинствам строительного гипса относятся его относительная дешевизна (так как температура обжига невысокая), высокая скорость твердения. Недостатками являются невысокая прочность и нестойкость продуктов твердения к воде. Ангидритовое вяжущее – это медленно схватывающееся (от 30 минут до 8 часов) воздушное вяжущее. Твердеет в течение 24 часов. Сырьем для его производства служит природный гипсовый камень и природный ангидрит (в этом случае сырье не обжигают, а только измельчают). Обжиг природного гипсового камня ведут при температуре 600 – 800 оС, при этом получается безводный сульфат кальция, очень плотный и малоактивный. Реакция следующая: CaSO4∙2H2O = CaSO4 + 2 H2O С водой ангидритовое вяжущее реагирует очень медленно, поэтому для ускорения этого процесса используют катализаторы: средние и кислые сульфаты натрия, калия, алюминия, железа. Роль катализатора может выполнять гашеная известь, а также карбонаты кальция и магния. Ангидритовое вяжущее образует комплексные соединения с этими веществами, неустойчивые сложные гидраты, которые затем распадаются с образованием двуводного гипса: CaSO4 + Na2SO4 + n H2O = [CaSO4∙Na2SO4∙nH2O] [CaSO4∙Na2SO4∙nH2O] = CaSO4∙2H2O +Na2SO4∙(n-2)H2O Ангидритовое вяжущее прочнее алебастра, его применяют для кладочных и штукатурных растворов, в производстве теплоизоляционных материалов, декоративных украшений. Эстрих-гипс – самое прочное из гипсовых вяжущих, схватывание должно наступать не ранее 2 часов от момента смешивания его с водой. Твердеет эстрих-гипс 24 – 36 часов, имеет низкую тепло- и звукопроводность, большую (по сравнению с алебастром) морозо- и водостойкость. Сырьем для получения служит природный гипсовый камень, который обжигают при температуре от 900 до 1100 оС. При этом часть сульфата кальция разлагается с образованием свободного оксида кальция: 2(CaSO4∙2H2O) = CaSO4∙CaO + 2H2O +SO2 + 0,5O2. При твердении эстрих-гипса сначала в реакцию вступает оксид кальция, образующаяся при этом гашеная известь является катализатором реакции сульфата кальция с водой: CaSO4∙CaO + 3 H2O = CaSO4∙2H2O + Ca(OH)2. Образующаяся гашеная известь вступает в реакцию с углекислым газом, в результате чего получается карбонат кальция. Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O. Суммарное уравнение твердения эстрих-гипса имеет вид: CaSO4∙CaO + 2 H2O + СО2 = CaSO4∙2H2O + CaСО3. Высокообжиговый гипс применяют для изготовления бесшовных полов, подготовки полов под линолеум, в растворах для кирпичной кладки и штукатурки, для производства искусственного мрамора.