Твердение минеральных вяжущих

Высокая пористость гипсовых изделий обеспечила их применение в качестве звукопоглощающих плит, регулирующих акустические свойства помещений. Путем введения полимерных пенообразующих добавок получают пенополимергипсовые («Тизол») и пеногипсоволокнистые плитные утеплители. Первый – производят по литьевой технологии с последующей сушкой в виде плит размером 600(750)х500(600)х50(100) мм, маркой по плотности 100, 200 и 300 кг/м3, прочностью от 0,8 до 4 кгс/см2, теплопроводностью от 0,06 до 0,1 Вт/м·К и маркой по морозостойкости F50. Плиты имеют гидрофобное покрытие, их основное назначение – теплоизоляция стеновых панелей, перекрытий, покрытий и их огнезащита. Второй – получают из вспененной композиции, включающей гипсовое вяжущее, глину, базальтовое и стеклянное волокно, полимерные модифицирующие добавки и воду. Плиты обычные и гидрофобные в объеме выпускают в оболочке из нетканого полотна размером 3000х1200х40 мм, плотностью 150 кг/м3, прочностью 0,15 МПа и теплопроводностью 0,05 Вт/м·К для изготовления трехслойных металлических навесных панелей типа «сэндвич». В сочетании с древесными отходами и такими пористыми материалами, как керамзит получают крупноразмерные гипсобетонные блоки и панели для выполнения стационарных внутренних перегородок.

Важнейшими недостатками затвердевшего гипса являются значительные деформации под нагрузкой (ползучесть) и низкая водостойкость. Жесткость изделий повышают за счет армирования и введения недеформируемых прочных заполнителей (керамзита). Увеличить водостойкость можно за счет снижения В/Г, использования малопластичных (жестких) смесей, пропиткой изделий полимерными составами, введением в гипсовую массу гидрофобных (водоотталкивающих) добавок, шлифовкой и полировкой поверхности изделий. Одним из перспективных направлений является совместный помол гипса с цементом и шлаком – гипсоцементо-шлаковое вяжущее (ГЦШ) или цементом и пуццолановой добавкой (зола, опока) – гипсоцементопуццолановое вяжущее (ГЦП). И в том, и в другом случае получают смешанные вяжущие, медленно твердеющие и сохраняющие прочность (10 – 15 МПа) во влажных условиях (коэффициент размягчения не менее 0,65). Изделия на их основе обладают пониженной морозо- и воздухостойкостью (ГЦП), поэтому в наземном строительстве их не применяют вследствие резких природных колебаний температурно-влажностных условий. Основное назначение – изготовление санитарно-технических кабин и монолитных полов в общественных зданиях, а также на предприятиях легкой промышленности.

Высокобжиговые вяжущие, прочность которых составляет от 5 до 20 МПа, медленно схватываются и твердеют, т. к. состоят преимущественно из безводного сульфата натрия, полученного обжигом сырья при температуре 600 – 1000 °С. К ним относятся ангидритовый цемент и эстрихгипс. Ангидритовый цемент можно получить или путем обжига природного двуводного гипса при температуре 600 – 700 °С до полного удаления воды и последующего помола совместно с катализаторами (известь, шлак), ускоряющими процесс гидратации, или непосредственным размолом природного безводного ангидрита с введением этих добавок. Во втором случае качество вяжущего хуже из-за наличия примесей.

Эстрихгипс представляет собой обожженный при температуре 900 – 1000 °С природный ангидрит. При такой высокой температуре часть ангидрита разлагается с выделением серного газа – SO3. Таким образом, состав эстрихгипса представляет собой смесь СаSO4 и СаО, играющую роль катализатора в процессе гидратации. Затвердевший эстрихгипс обладает высокой прочностью на истирание. Основное применение этих вяжущих: выполнение монолитных полов или в сочетании с плитами из горных по-род – мозаичных полов; изготовление путем введения пигментов полированных плит искусственного мрамора, применяемых для отделки пола и стен в зданиях общественного назначения; для получения штукатурных, кладочных растворов и легких бетонов.

Воздушная известь

Строительной воздушной известью называют продукт разложения при температуре 900 – 1200 °С кальциево-магниевых карбонатных горных пород (известняка - СаСОз, доломита - СаСОзхМgСОз), содержащих не более 6 %глинистых и песчаных примесей. Основной объем извести получают по непрерывной технологии в шахтных печах во взвешенном «кипящем» слое, где мелкоизмельченное сырье и жидкое или газообразное топливо движутся противотоком, навстречу друг другу. Продуктом обжига является комовая негашеная известь – оксид кальция (СаО). Разложение известняка происходит по реакции СаСОз = СаО + СО2. Если в сырье имеются примеси карбоната магния, то его распад приводит к образованию оксида магния МgСОз = МgО + СО2. Полученную комовую известь в последствие мелят или гасят, добавляя воду, в специальных аппаратах. Процесс гашения – гидратация протекает с большим выделением тепла, поэтому негашеную известь называют известью-кипелкой. По скорости гашения известь подразделяют на быстро гасящуюся – до 8 мин, среднегасящуюся – до 25 мин и медленногасящуюся – более 25 мин, по температуре гашения на низкоэкзотермичную (до 75 оС) и высокоэкзотермичную (более 75 оС).

В результате реакции СаО + Н2О = Са(ОН)2 + Q образуются мельчайшие, размером до 0,01 мм, кристаллы гидратной извести – пушонки Са(ОН)2. Объем полученной извести увеличивается в 2 – 3 раза по сравнению с исходной. В строительстве используют как негашеную, так и гидратную известь в виде тонкодисперсного материала или известкового теста, полученного в результате гашения извести с большим расходом воды.

В соответствии с ГОСТ 9179-77 воздушную известь в зависимости от содержания примеси МgО классифицируют на кальциевую, магнезиальную и доломитовую. Для кальциевой извести содержание МgО не должно превышать 5 %, магнезиальной – 5 – 20 %, доломитной – 20 – 40 %. Наибольшей активностью обладает кальциевая известь. Качество извести оценивают по тонкости помола, определяемой по остаткам на ситах 02 и 008 соответственно не более 1,5 и 15 %,температуре и времени гашения, содержанию активных окислов СаО + МgО (50 – 90 %) и наличию не погасившихся примесей, составляющих в зависимости от вида и сорта до 20 %. Не погасившиеся зерна по своей природе подразделяют на «недожог», «пережог» и инертные примеси (песок и др.). «Недожог» представляет собой зерна недообожженного сырья (СаСО3), которые вследствие своей инертности по отношению к воде снижают активность извести. «Пережог» образуется при непосредственном контакте извести с теплоносителем, вызывающим оплавление частиц с поверхности. Наличие «пережога» приводит к появлению вздутий на отштукатуренной поверхности, так как прохождение реакции гидратации сопровождается увеличением температуры и объема в уже затвердевшем слое. По совокупности свойств известь делят на сорта.

Чистое известковое тесто из-за сильной усадки при твердении растрескивается, поэтому к нему добавляют от двух до четырех частей по объему песка. Известь с песком образуют пластичный строительный раствор. Твердение известковых растворов на воздухе идет медленно и складывается из следующих одновременно протекающих процессов: испарения воды, кристаллизации гидрооксида кальция из пересыщенного водного раствора и карбонизации гидрооксида с образованием кальцита путем взаимодействия с углекислым газом воздуха. Происходит так называемое гидратно-карбонатное твердение. Прочность раствора через 28 суток составляет 0,5 – 1,0 МПа, через десятки и сотни лет за счет карбонизации –  
5 – 7 МПа и более.

Воздушную известь используют для приготовления смешанных строительных растворов: известково-цементных, известково-глинистых, применяемых для каменной кладки и штукатурки, приготовления сухих строительных смесей, в качестве связующего вещества для малярных красочных составов и в производстве силикатных изделий. При обычных условиях химическое взаимодействие между песком и известью протекает медленно и не имеет практического значения. Автоклавная обработка в течение 12 часов, предусматривающая постепенное повышение температуры до 174,5 °С, давления до 0,9 МПа, создает условия для прохождения интенсивной реакции между компонентами с образованием кристаллических гидросиликатов кальция, придающих водостойкость и высокую прочность изделиям до 30 – 50 МПа. Таким образом получают силикатный кирпич, силикатные плотные и пористые бетоны. В качестве вяжущего для их изготовления используют тонкомолотую смесь, состоящую из извести (8 – 12 %) и кварцевого песка (88 – 92 %) (известково-кремнеземистое вяжущее). Вместо песка можно использовать золу, шлак и другие аналогичные минеральные отходы, содержащие кремнезем (SiO2).

Силикатный кирпич и камни выпускают рядовыми и лицевыми; кирпич – полнотелым и пустотелым, камни – только пустотелыми  
(СТБ 4.206-94). Размеры их такие же, как и у керамических изделий, максимальная марка по прочности 300, морозостойкости F50, водопоглощение не менее 6 %, средняя плотность 1800 – 1850 кг/м3. Условное обозначение изделий состоит из названия, марки по прочности и морозостойкости. Например, кирпич СУЛ-200/35 СТБ 1228-2000 – кирпич силикатный утолщенный лицевой марки по прочности 200, морозостойкости F35. Эти мелкоштучные материалы используют для возведения стен выше нулевой отметки. Нельзя применять силикатный кирпич для фундаментов, подвергающихся воздействию грунтовых и сточных вод, содержащих углекислоту, а также для кладки печей и дымовых труб, так как он обладает пониженной коррозионной стойкостью и не выдерживает длительное воздействие высокой температуры.

Из плотных силикатных мелкозернистых бетонов, выполняемых на кварцевом песке без крупного заполнителя, изготовляют крупноразмерные панели внутренних стен, перекрытия, балки, колонны.

Легкобетонные силикатные изделия и конструкции: стеновые блоки и панели, плиты покрытий и перекрытий изготавливают или с использованием пористых заполнителей, или путем создания ячеистой струк-туры за счет введения в бетонную смесь газо- и пенообразующих добавок (газосиликат и пеносиликат). В качестве вяжущего для их получения используют смешанные известковые, содержащие известь-кипелку, кремнезем или шлак в количестве до 50 % в сочетании с регулятором твердения – гипсом. Класс бетона по прочности на легком заполнителе в соответствии с СТ СЭВ 1406 от В05 до В15, марка по плотности от D300 до D1200, морозостойкости (в зависимости от назначения) от F15 до F100. Стеновые силикатные ячеистые блоки размером от 100х188х588 до 588х100х1200 мм применяют для кладки любых стен при отсутствии агрессивных сред и влажности помещений не более 60 %. Последнее ограничительное требование связано с возможностью коррозии арматуры. При увеличении влажности до 75 % необходима защита поверхности пароизоляционным покрытием. Марка по прочности блоков от В1 до В12,5, средней плотности от D350 до D1100. В зависимости от назначения блоки подразделяют на наружные (Н) с маркой по морозостойкости F50, 35, 25; внутренние (В); для выполнения перегородок (П) и внутренних стен подвалов (СП). В зависимости от точности размеров изделий их укладывают на раствор или специальный клей.

Получение водостойких материалов на основе воздушной извести возможно также за счет дополнительного введения шлаковых или пуццолановых добавок. При совместном помоле с целью замедления скорости гашения дополнительно вводят двуводный гипс в количестве 3 – 5 % от массы извести. Смешанные известково-пуццолановые и известково-шлаковые вяжущие твердеют во влажных условиях и обеспечивают водостойкость готовых изделий, т.е. являются гидравлическими. При их применении для изготовления низкомарочных бетонов и растворов необходимо учитывать такие свойства, как повышенные водо- и солестойкость, пониженную морозостойкость, а в случае известково-пуццоланового вяжущего – и воздухостойкость полученных материалов. Поэтому его используют в подводном и подземном строительстве. Известково-шлаковые вяжущие рациональнее применять при производстве изделий на заводе по пропарочной технологии, т.к. именно в этих условиях шлак значительно повышает свою химическую активность и полнее участвует в реакциях гидратации.

Магнезиальные вяжущие вещества

   К магнезиальным вяжущим относятся каустический магнезит (оксид магния МgО) и каустический доломит (МgО + СаСОз). Первый получают обжигом при температуре 700 – 800 °С природного магнезита, представляющего собой карбонат магния (МgСОз), второй – доломита (СаСОзхМgСОз). В отличие от других вяжущих магнезиальные затворяют не водой, так как в этих условиях процесс набора прочности проходил бы крайне медленно, а растворами хлористого или сернокислого магния. Скорость схватывания и конечная прочность изделий зависят от концентрации применяемых растворов. Чем она выше, тем медленнее схватывается вяжущее, но тем выше конечная прочность получаемого камня. Начало схватывания каустического магнезита наступает не ранее 20 мин, конец – не позднее 6 часов от начала затворения водой. Для каустического доломита эти показатели соответственно равны 3 – 10 и 8 – 20 час. Тонкость помола магнезиальных вяжущих составляет на сите 02 не более 5 %, 008 – не более 25 %. Марку этого вида вяжущих определяют на образцах-балочках размером 40х40х160 мм состава по массе вяжущее: песок = 1 : 3, твердевших 28 суток на воздухе. Прочность на сжатие образцов на каустическом магнезите равна 40 – 60 МПа, каустическом доломите 10 – 30 МПа. Снижение активности последнего происходит за счет наличия неразложившегося при обжиге карбоната кальция, который в данном случае играет роль инертного балласта.

Магнезиальные вяжущие в сочетании с древесными отходами применяют для устройства теплых бесшовных, так называемых ксилолитовых полов. Эти полы малотеплопроводны, обладают высокой износостойкостью, негорючи. Из смеси вяжущего с водой и органическими волокнистыми отходами (стружки, костра и др.) путем формования и воздушно-сухого твердения получают фибролитовые и ксилолитовые плиты, которые используют для теплоизоляции строительных конструкций или выполнения внутренних перегородок.

Жидкое стекло, кислотостойкий цемент

Жидкое стекло представляет собой водный раствор силикатов натрия или калия – SiO2xK(Na)2O – ГОСТ 13078-81. Качество этого вяжущего оценивают по плотности, вязкости раствора и модулю стекла  
(2,6 – 4,0), который равен отношению числа грамм-молекул кремнезема к одному грамм-молю оксида калия или натрия. С увеличением модуля повышаются клеящие свойства жидкого стекла и стойкость изделий к кислотам. Технология получения этого вяжущего включает сплавление смеси кварцевого песка с карбонатом натрия (калия) или сульфатом натрия (калия) при 1300 – 1400 °С, охлаждение расплава и его растворение паром под давлением 0,6 – 0,8 МПа в автоклаве. Растворимое стекло затвердевает только на воздухе. Сущность процесса заключается в испарении воды, повышении концентрации свободного коллоидного кремнезема, его последующей коагуляции и уплотнения. Значительно ускоряет процесс твердения растворимого стекла добавка кремнефтористого натрия, так как в результате реакции получается дополнительное количество кристаллических и клеящих гелеобразных продуктов.

На основе жидкого стекла получают многокомпонентный кислотостойкий цемент, состоящий из тонкоизмельченной смеси кислотостойкого наполнителя: кварцевого песка или другой горной породы и кремнефтористого натрия, затворяемой водным раствором растворимого стекла плотностью не менее 1340 кг/м3. Начало схватывания цемента наступает не ранее 20 мин, конец – 8 час. Основным достоинством этого вяжущего является его высокая кислотостойкость (за исключением фтористоводородной и кремнефтористоводородной кислот), причем с повышением концентрации кислоты стойкость повышается.

При затворении жидким стеклом тонкомолотого металлургического шлака получают воздушное шлакосиликатное вяжущее, которое имеет следующие свойства: начало схватывания 40 – 60 мин, конец – 70 – 120 мин, прочность на сжатие от 15 до 30 МПа. Вяжущее используют для производства бетонов, растворов, арболита (в сочетании с древесными отходами), эксплуатируемых в воздушно-сухих условиях.

При использовании кислотостойких заполнителей и стеклопластиковой арматуры в сочетании с кислотостойким цементом получают кислотостойкие бетоны. Этот вид вяжущего используют также при производстве жаростойкихбетонных конструкций, эксплуатируемых при температуре до 1000 оС, а также огнезащитных обмазок. Жидкое стекло является основой для силикатных красок и кислотостойких мастик. Интересно применение жидкого стекла для укрепления, уплотнения (силикатизации) слабых грунтов на строительных площадках. Вначале в грунт под давлением закачивают раствор хлористого кальция определенной концентрации, затем жидкое стекло. В результате реакции этих веществ образуются плохо растворимые соединения, которые повышают механическую прочность грунтов.