Вяжущие вещества – это тонкодисперсные материалы, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное в резуль­тате физико-химических процессов со временем самопроизвольно затвердевать в камень. При переходе из теста в камневидное состояние вяжущее вещество связывает, скрепляет между собой в монолит разрозненные час­тицы других материалов. Этим свойством пользуются при изго­товлении из цемента, воды, песка и щебня (или гравия) искус­ственного камня, называемого бетоном. Механическая смесь вяжу­щего (цемента, извести), воды и песка после затвердевания обра­зует строительный раствор в виде швов каменной кладки, слоя штукатурки или какого-либо изделия.

Классификация минеральных вяжущих веществ:

1. По составу делят на:

· неорганические (минеральные). Ими явля­ются известь, цементы, гипсовые вяжущие, жидкое стекло и др. Как правило, их затворяют водой, реже — водными растворами солей.

· органические. К ним относятся битумы, дегти, некоторые клеи, полимеры и др.

2. В зависимости от условий твердения делятся на:

• Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе. К ним относят воздушную известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие. Во влажных условиях они теряют свою прочность, потому их применяют только в сухих условиях.

• Гидравлические вяжущие после предварительного твердения на воздухе сохраняют и наращивают свою прочность в воде. К ним относят гидравлическую известь, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и др. Для эффективного твердения гидравлических вяжущих необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно была вода, в сухих условиях они прекращают твердение. По условиям применения гидравлические вяжущие универсальны, их можно применять в сухих и влажных условиях, а также в воде.

• Кислотостойкие вяжущие после затворения их водным раствором силиката натрия (жидкого стекла) затвердевают на воздухе, после чего длительно сохраняют свою прочность при воздействии некоторых кислот. Это особая разновидность воздушных вяжущих веществ, основным представителем которых является кварцевый цемент, применяемый для изготовления кислотостойких бетонов, растворов, замазок. Эти материалы теряют прочность в воде, среде едкой щелочи разрушаются.

• Вяжущие автоклавного твердения — разновидность гидравлических вяжущих, они затвердевают в среде насыщенного водяного пара, т. е. в условиях автоклавной обработки. В группу этих вяжущих входят нефелиновый цемент, известково-кремнеземнистые, известково-зольные, известково-шлаковые вяжущие и др.

Для регулирования свойств растворов и бетонов и экономии вяжущих вводят специальные добавки, которые подразделяются на следующие основные группы:

1. Гидравлические (активные минеральные), повышающие плотность, водостойкость и стойкость растворов и бетонов в пресных водах и водах, содержащих минеральные соли серной кислоты в растворенном состоянии. По химическому составу эти добавки представляют собой вещества, состоящие в основном из кремнезема в аморфном состоянии. К повышающим стойкость растворов и бетонов в пресных и сульфатных водах относятся природные добавки — диатомиты, трепелы, пеплы, туфы, пемзы, трассы и искусственные добавки — доменные гранулированные шлаки и кремнеземистые отходы, а к добавкам, повышающим стойкость растворов и бетонов только в пресных водах, относятся топливные кислые шлаки и золы, обожженные глины (глинит, цемянка) и горелые породы.

2. Наполнительные (инертные добавки), снижающие расход цемента и повышающие плотность бетона. Их применяют, когда марка цемента по условиям требуемой прочности бетона или раствора излишне высока, а расчетное количество цемента недостаточно для придания бетону или раствору требуемой удобо-обрабатываемости и плотности. Природными наполнительными добавками являются тонкоизмельченные кварцевые пески, известняки, изверженные породы, глины и т. д., искусственными — доменные шлаки, топливные золы, шлаки и т. д.

3. Ускорители твердения и замедлители схватывания вяжущих. К ускорителям твердения цементов относятся хлористый кальций (не более 2-3%) и соляная кислота (не более — 1,5-2% от веса цемента). К замедлителям схватывания цемента относятся гипс, слабый раствор серной кислоты, сернокислое окисное железо, к замедлителям скорости гашения извести- кипелки — тонкомолотый гипсовый камень, кератиновый замедлитель, животный клей и поверхностно-активные добавки.

4. Поверхностно-активные добавки, вводимые в вяжущие, бетоны и растворы для уменьшения водопотребности и расхода вяжущих при одновременном сохранении или повышении их пластичности (подвижности), а также для повышения морозостойкости бетонов и растворов, предназначенных для конструкций и сооружений, подвергающихся многократному попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию. К ним относятся пластифицирующие добавки концентраты сульфитно-спиртовой барды (ССБ — отход гидролизно-спиртовой промышленности) и гидрофобно-пластифицирующие микропенообразующие — мылонафт, асидол, асидол-мылонафт, омыленный древесный пек и др., которые, кроме того, понижают гигроскопичность цементов и повышают водонепроницаемость.

Некоторые добавки по указанному ими действию могут быть отнесены к нескольким группам. Их применяют в сухом, порошкообразном состоянии и в виде водного раствора.

Глину лишь условно можно отнести к простейшим минеральным вяжущим воздушного твердения.

При смешивании глины с водой образуется пластичное глиняное тесто, при добавлении песка — глинопесчаный строительный раствор. Как тесто, так и раствор с течением времени твердеют, но не в результате химических реакций между глиной и водой и не как следствие физико-химических процессов, а благодаря испарению воды, т. е. высыханию теста и раствора.

Естественно, никаких новообразований при этом не образуется. После высыхания глиняного теста и раствора получается довольно прочный камень, но до первого соприкосновения с водой. В воде глиняный камень размокает, разваливается. При умеренном количестве воды вновь образуется глиняное тесто, способное связывать зерна песка и щебня.

Несмотря на простоту, глину в качестве вяжущего применяли с давних времен наравне с известью и гипсом. И в настоящее время в регионах с жарким и сухим климатом глина как вяжущее имеет широкое и разнообразное применение.

Из глины и песка формуют кирпич-сырец.

В сельском строительстве применяют материал для стен — саман — блоки из глины, песка и соломенной сечки. Добавка сечки делает саман прочным, облегченным, менее теплопроводным и быстро высыхающим. Вместо соломенной сечки применяют также сечку из тростника, камыша, костры, прутьев.

Стены жилищ штукатурят как внутри, так и снаружи глинопесчаным раствором. Совершенно незаменимы глиняные растворы при кладке печей и труб.

Применение глины в качестве вяжущего при кладке печей и труб основывается на том ее свойстве, что при повышенных температурах глина набирает прочность, в то время как другие вяжущие в этом случае ее снижают. Стены из кирпича-сырца, самана и древесины штукатурят глиняными растворами.

Глины — осадочные обломочные рыхлые горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов, пыли и песка.

Важнейшим глинообразующим минералом является каолинит - водный алюмо-силикат, состоящий из мельчайших частиц чешуйчатой формы размером менее 0,005 мм.

При соприкосновении с водой гидрофильные глины адсорбируют воду, набухают, а глина в целом становится пластичной, легко формуемой. При высыхании глины водные оболочки на ней становятся более тонкими, что приводит к уменьшению ее объема, т. е. вызывает усадку. При дальнейшей сушке силы взаимодействия между частицами глины растут, глина постепенно теряет пластичность и упрочняется.

Высохшая глина довольно прочна, на сжатие выдерживает до 20 МПа, но при увлажнении она размягчается. Если отформованные и высушенные изделия из глины обжечь при температуре 900...1100 °С, они превратятся в водостойкие и весьма прочные керамические материалы — кирпич, черепицу, трубы, плитки и т. д.

С увеличением в глине содержания глинистых минералов растет ее способность впитывать воду и больше набухать, медленно высушиваться и давать большую усадку.

Глины, богатые глинистыми минералами, называют «жирными»; сильно запесочен-ные глины называют «тощими», они легко сушатся, имеют небольшую усадку, не трескаются, но пластичность и прочность их ниже, чем у «жирных» глин.

В «жирные» глины вводят отощающие добавки — песок, шлак, сечку соломы, костру и др.

Белую глину, содержащую много каолинита, называют каолином.

Из каолина и добавок вырабатывают фарфоровые и фаянсовые изделия.

Цвет глины зависит от примесей: оксиды железа и оксиды марганца сообщают гли-нам красный, желтый или бурый цвет; органические примеси (гумус) - черный.

Самыми ценными разновидностями природного строительного материала являются:

• огнеупорная;

• каолин;

• кирпичная;

• кислотоупорная;

• цементная;

• бентонитовая.

Свойства глины

Среди основных характерных свойств глины можно назвать следующие:

1. Высокий уровень пластичности

2. Способность принимать любую заданную форму

3. Огнеупорные свойства

4. Способность к воздушной и термической усадке

5. Отличная спекаемость

6. Вязкость глин различных сортов

7. Степень усушки

8. Пористость глины

9. Набухание глин

10. Плотность

11. Водонепроницаемость

Виды глины

Различают несколько видов глин, среди которых можно назвать следующие:

• Каолин— так называется знаменитая белая глина, которую используют для производства красивейшего фарфора и огнеупорных изделий.

• Строительная глина — используется для приготовления растворов, которые применяются в процессе возведения сооружения различного назначения.

• Глинистый сланец — применяется в процессе производства цемента.

• Огнеупорная глина — подходит для изготовления огнеупорных кирпичей и других жаропрочных изделий.

• Бентонит — при погружении в воду увеличивается в объеме в несколько раз, используется в буровых растворах в процессе бурения скважин.

• Сукновальная глина — обладает отбеливающими и фильтрующими свойствами. Фильтры из сукновальной глины широко используются для очистки от примесей нефтепродуктов, а также различных видов масел — как пищевых, так и технических.

• Гончарная (комовая) глина применяется в процессе изготовления керамической посуды.

• Красная глина — применяется в качестве лечебного и косметического средства для нанесения масок на лицо и тело.

• Глина из песчаника — используется для изготовления посуды, декоративных керамических изделий и сувениров.

Применение глины весьма разнообразно:

- для изготовления строительной керамики, огнеупоров, фаянса, фарфора;

- в качестве компонента сырьевой смеси в производстве цемента;

- как воздушное вяжущее в кладочных и штукатурных растворах;

- в качестве пластификатора цементных и других строительных растворов.

Цвет

Разноцветная глина – это материал, который содержит оксиды металлических элементов или пигменты, и представляет собой однородную смесь:

1. Природные пигменты придают глине тот или иной оттенок, их разделяют на две категории: оксиды металлических элементов и собственно красящие вещества.

2. В процессе обжига красная глина становится красной или белой, в зависимости от условия процесса и типа обжигающего оборудования. Данная разновидность может выдержать нагревание до 1100 градусов.

3. Легкоплавкая глина майолика черного цвета. После обжига масса напоминает изделия из слоновой кости по цвету. Благодаря использованию глазури изделия из сырья становятся необычайно прочными, обладают высокой водостойкостью.

4. Для придания материалу голубого цвета применяют кислородсодержащие соединения кобальта. Соединения хрома обеспечивают цвет оливок, а соединения магния и никеля – коричневый и серый соответственно.

5. Красящие компоненты добавляют в сырье в количестве от 1 до 5%. При более высоком содержании пигментов могут возникнуть нежелательные последствия в процессе обжига.

Минералы в составе глин

В состав глины входит один или несколько минералов группы каолинита, монтмориллонита или других слоистых глинистых минералов. В глине также могут содержаться карбонатные и песчаные частицы.

В зависимости от количества и качества минералов, входящих в состав глины, это полезное ископаемое может быть самых разных цветов и оттенков — светло — желтого, оранжевого, красновато — коричневого, серого, белого и многих других.

В различные сорта глины входят следующие минералы:

· каолинит

· андалузит

· монтмориллонит

· галлуазит

· мусковит

· гидраргиллит

· накрит

· диаспор

· пирофиллит

· корунд

· монотермит

Существуют также некоторые виды минералов, которые загрязняют глины. Среди них можно выделить следующие:

· кварц

· гипс

· кальций

· доломит

· глауконит

· лимонит

· магнетит

· маркозит

· рутил

· пирит

· сертпентин

· сидерит

Известь — продукт обжига известняков, мела и других горных пород. Строительная известь по условиям твердения подразделяется на воздушную и гидравлическую.

Известняки — осадочные горные породы, состоящие главным образом из кальцита. Известняки могут содержать различные примеси (обломочных частиц, органических соединений и др.) Название известнякам дается в зависимости от особенностей слагающих его компонентов. Известняки широко применяются в строительстве (как облицовочный камень, для производства извести и т. д.), стекольной промышленности, металлургии (флюсы).

Воздушной известью называют продукт высокотемператур­ного обжига кальциевых или кальциево-магниевых карбо­натных горных пород (различных видов известняков, мела, доломита, мрамора), который состоит в основном из оксида кальция. Обжиг извести проводят при температуре до 1300⁰ С в шахтных или вращающихся печах. Характерными примесями в карбонатных породах являются ямеханические примеси глины, песка, а также карбо­наты магния. По содержанию оксида магния воздушную из­весть подразделяют на несколько видов: кальциевая содержит оксида магния не более 5 %, в магнезиальной содержание MgO не превышает 20 %, а в доломитовой — 40 %.

На производстве в процессе обжига карбонатных пород преимущественно происходит процесс декарбонизации, т.е. разложение молекул карбонатов на оксид кальция (или маг­ния) и диоксид углерода СО₂, который в газообразном виде выделяется в окружающую среду. Температура реакции дис­социации карбонатов кальция и магния различается. При более низких температурах 650-750⁰ С начинается терми­ческое разложение карбоната магния с поглощением тепла.

Реакция разложения карбонатов кальция начинается при более высокой температуре около 1000⁰ С и полностью завер­шается при 1300⁰ С с поглощением большего количества тепла и образованием оксидов.

В результате обжига из печей выходит готовый продукт в ку­сковом (комовом) виде, который представляет собой пористый материал, состоящий из мелких кристаллов (от 0,5 до 2 мкм) ок­сида кальция с примесями оксида магния. Макроструктурное строение комовой извести предопределяет высокую реакционную способность при взаимодействии с водой. Существует два способа переработки крупнозернистого продукта в порош­кообразное вяжущее: при механическом способе производят тонкий размол в шаровых мельницах с получением молотой негашеной извести, а в случае воздействия на продукт воды в процессе гидратации образуется несколько видов гидратной (гашеной) извести.

Негашеная комовая известь (кипелка) является смесью кусков различ­ной величины, получаемой грубым дроблением продукта об­жига. В химическом составе преобладает СаО, а также оксид магния. В примесном количестве возможно присутствие кар­боната кальция, не прошедшего декарбонизацию, различные соединения кальция и магния (силикаты, алюминаты и фер­риты), получаемые при взаимодействии компонентов глины, кварцевого песка с оксидами кальция и магния. Негашеную воздушную известь выпускают 3 сортов (I, II, III).

Комовая негашеная известь – полуфабрикат для получения известкового теста, гидратной извести и молотой извести.

Негашеная молотая известь по химическому составу соответ­ствует комовой извести и представляет собой продукт тонкого измельчения комовой извести. Помол необходимо проводить в сухих условиях для предотвращения возможности частично­го или полного гашения извести. Таким образом, негашеная комовая известь отличается от молотой только гранулометри­ческим составом.

Недостаток порошкообразной негашеной извести в том, что быстро соединяясь с водой и влагой воздуха, теряет качество, превращась в гидратную известь.

Молотую известь применяют в растворах для наземной кладки и штукатурки, для производства известковых вяжущих и красок, в качестве добавки к растворам для ускорения твердения, для отделочных известково-гипсовых растворов.

Гашение извести — это технологический процесс гидрата­ции негашеной извести (зачастую комовой) с целью получения других видов воздушной строительной извести, состоящих из тонкодисперсного гидроксида кальция. При гашении вода активно впитывается кусками комовой извести, распределяясь в порах, и одновременно активно начинается химическое вза­имодействие с оксидами кальция и примесями магния с обра­зованием соответствующих гидроксидов. В процессе гашения комков наблюдают самопроизвольный их распад на тонкодис­персные частицы. При гидратации извести выделяется большое количество тепла.

Данную реакцию необходимо контролировать, т. к. количе­ства выделяющегося тепла достаточно для кипения воды или возгорания древесины и материалов из нее. Случайное начало реакции, например, при образовании протечек атмосферных осадков в местах хранения негашеной извести, может привести к образованию цепной реакции, приводящей к химическому по­жару в сооружениях хранилища. В зависимости от объема воды, участвующей в гашении, получают порошкообразную известь - пушонку, известковое тесто или молоко. По соотношению для химической реакции гидратации количество воды, необходи­мое для полного протекания процесса, составляет 30 % от коли­чества оксида кальция. На практике воды требуется в 2-3 раза больше (до 80%), потому что параллельно протекает процесс испарения воды с поверхности комка извести за счет большого выделения тепла во время химической реакции.

Гидратная известь (пушонка) — это высокодисперсный сухой порошок, состоящий преимущественно из Са(ОН)₂, который изготавливают при гашении негашеной комовой или молотой извести путем добавления небольшого количества воды, обес­печивающего только переход оксидов кальция и магния в их гидраты с увеличением объема от первоначального в 2-3 раза.

Применяют гидратную известь для производства известково-шлаковых и других вяжущих веществ, получения известковых красок и в качестве разбавителя в цветных растворов, предназначенных для надземной части зданий.

Известковое тесто — это продукт контролируемой ги­дратации комовой извести, состоящий преимущественно из Са(ОН)₂ и представляющий собой дисперсию данного ги­дроксида в воде. Выдержанное известковое тесто получают в виде пастообразной концентрированной смеси с плотностью примерно 1400 кг/м³, содержащей суммарно около 50—55 % ги­дроксидов кальция и магния, а также 45—50% воды.

Важным показателем качества воздушной строительной извести является выход теста, который определяют объемом (в литрах) известкового теста, получаемого при гашении од­ного килограмма комовой извести. Высококачественные сорта извести (их называют жирными) быстро гасятся с большим вы­делением тепла с получением более пластичного теста и имеют выход теста 2,5-3,5 л. У низких сортов извести (тощая известь) процесс гидратации происходит медленно с образованием менее пластичного теста с наличием зерен оксида кальция, не распавшихся при гашении.

Известковое молоко имеет вид жидкости белого цвета и представляет собой суспензию плотностью менее 1300 кг/м³, в которой гидроксид кальция находится в основном во взве­шенном и частично в растворенном состоянии. Получают в ре­зультате разбавления известкового теста водой.

Твердение извести происходит за счет двух параллельных процессов:

— сначала происходит более быстрый процесс кри­сталлизации из коллоидного раствора гидроксида кальция Са(ОН)₂, с одновременным испарением излишков воды;

— происходит в течение многих лет процесс карбониза­ции (присоединения к гидроксиду кальция диоксида углеро­да) с поглощением углекислого газа из воздуха с образованием карбоната кальция.

Строительную известь применяют в строительстве уже несколько тысячелетий: изготовляют вяжущие материалы, строительные растворы и бетоны на основе, а также другие искусственные каменные материалы.

Известь гидравлическая — гидравлическое вяжущее. Получают путем обжига мергелистых известняков (содержащих до 20% глинистых компонентов).

В результате обжига образуется не только свободная известь СаО, но и ее химические соединения с оксидами глины – силикаты, алюминаты, ферриты кальция, способные твердеть не только на воздухе, но и в воде.

Основной характеристикой сырьевых материалов для получения гидравлической извести является гидравлический модуль – отношение процентного содержания оксида кальция к суммарному содержанию оксидов алюминия, кремния и железа.

При затворении гидравлической извести водой она некото­рое время должна твердеть на воздухе (7...21 сут), а затем уже приобретает способность твердеть в воде без опасности сниже­ния прочности. Чем меньше в ней содержится свободного окси­да кальция СаО, тем меньше требуется выдержка растворов и бетонов на воздухе. Поэтому в зависимости от содержания сво­бодного СаО, а соответственно гидравлического модуля, и воз­можности твердеть в воде такая известь подразделяется на сильногидравлическую (с гидравлическим модулем 1,7.. 4,5) и слабоги­дравлическую (с гидравлическим модулем 4,5.,.9,0).

Вяжущее вещество с гидравлическим модулем больше чем 9,0 называют воздушной известью, а с гидравлическим модулем меньше чем 1,7 — романцементом. Если отделить непогасившуюся часть гидравлической извести и размолоть ее в порошок, то получится гидравлически твердеющий продукт типа «цемент­ной извести». В европейских странах (Франция) продукт помола таких сильно спекшихся непогасившихся кусков гидравличе­ской извести называют граппье-цементом.

По СТБ EN 459-1 гидравлическую известь получают как по вышеописанной схеме и называют природной гидравлической (NHL), так и смешиванием соответствующих компонентов (HL) гидроксида кальция, силикатов и алюминатов кальция. Прочность гидравлической извести невелика и в возрасте 28 сут составляет 0.5...5 МПа, Твердеет медленно: начало схватывания наступает через 0,5…2 ч, конец схватывания — 8...16 ч. После приготовления тесто гидравлической извести в течение суток должно быть использовано, иначе оно затвердеет.

Применяют гидравлическую известь (гашеной в порошок и молотой нега­шеной) для изготовления кладочных и штукатурных растворов, искусственных каменных материалов и бетонов и других изде­лий. Молотая негашеная известь обладает более качественными показателями.

Гипсовыми вяжущими называют вещества, состоящие из сульфата кальция в различных фазах дегидратации, например, полугидрат CaSO₄·0,5H₂O и др. Получение гипсовых вяжущих основано на способности природного камня (двуводного гипса CaSО₄ ·2H₂О) в процессе нагревания частично или полностью де­гидратироваться, т. е. отдавать кристаллизационную воду: CaSО₄·2H₂О = CaSO₄·0,5H₂O + 1,5Н₂О.

В настоящее время сырьем для производства гипсовых вяжу­щих в основном служит природный гипсовый камень CaSО₄·2H₂О, но могут использоваться также ангидрит CaSО₄ (безводная соль сернокислого кальция) и гипсосодержащие отходы, состоящие из двуводного и безводного сернокислого кальция или их смеси.

В зависимости от способа производства и условий твердения различают безобжиговые, низкообжиговые (собственно гипсо­вые), высокообжиговые (ангидритовые) и смешанные гипсовые вяжущие. В строительстве применяются в основном низкообжиговые гипсовые вяжущие (обжиговые и варочные), получаемые из природного гипсового камня путем термообработки сырья и размола продукта термообработки в тонкий порошок. Размол мо­жет производиться как до, так и после термообработки.

В зависимости от вида и режимов термической обработки гипсового камня получают две разновидности гипсового вяжу­щего: α-модификацию и β-модификацию, которые отличают­ся структурой кристаллической решетки и свойствами. Если природный гипс подвергают термической обработке в герме­тически закрытых аппаратах (мокрый обжиг) при температуре 109... 115 °С и повышенном давлении (0,15...0,5 МПа), получают α-модификацию. Такое вяжущее имеет крупнокристаллическое строение, меньшую растворимость (на 20...30 %) и водопотребность (30...40 %), увеличенные сроки схватывания, повышенную прочность. Называют его высокопрочным гипсом.

Гипсовое вяжущее β-модификации получают в атмосфе­ре, не насыщенной парами воды, при температуре 110...180°С. В результате частицы вяжущего имеют капиллярно-пористую мелкокристаллическую структуру, более развитую внутреннюю поверхность и более реакционноспособны. Водопотребность их выше (50...70 %), а прочность при той же консистенции ниже. Называют такое вяжущее строительным гипсом.

При затворении гипсового вяжущего водой полугидрат на­чинает растворяться. Одновременно происходит и гидратация полуводного гипса с превращением его в двуводный. Раство­римость образующегося двуводного гипса значительно меньше растворимости полуводного (2 г/л), и раствор становится перена­сыщенным, из него начинает выделяться двуводный гипс, обра­зуя вместе с водой коллоидную гелеобразную массу. Количество образующихся кристаллов увеличивается, они располагаются в разных направлениях, переплетаются между собой, и образуется кристаллический сросток.

Кристаллизация обусловливает твердение и нарастание проч­ности. Примерно че-рез 1,5 ч кристаллизация заканчивается. По­этому по стандарту прочность гипсового вяжущего устанавлива­ется через 2 ч с момента изготовления образцов. Последующее высушивание гипсовых образцов и изделий (температура сушки не должна превышать 65 °С) приводит к увеличению прочности в 2,0...2,5 раза.

При твердении гипсовых вяжущих, в отличие от других, про­исходит незначитель-ное увеличение объема (от 0,3 до 1 %), что позволяет применять их без заполнителей, не опасаясь растре­скивания изделий от усадки. Кроме того, это дает возможность воспроизводить все детали лепной формы, что широко использу­ют скульпторы и архитекторы.

Основными свойствами гипсовых вяжущих (α- и β-модифи­кации) являются нормальная густота (водопотребность), сроки схватывания, тонкость помола, прочность, плотность, цвет и др.

Водопотребность (нормальная густота затворения) гипсового вяжущего характеризуется таким количеством воды (в процентах от массы вяжущего), которое необходимо для получения теста за­данной стандартной консистенции (диаметр расплыва гипсового теста 180±5 мм). Отношение количества воды к массе гипсового вяжущего называют водогипсовым отношением (В/Г). Определяет­ся нормальная густота на специальном приборе — вискозиметре Суттарда по диаметру расплыва теста, вытекающего из цилиндра вискозиметра при его поднятии, и составляет в зависимости от вида вяжущего 40...70 %.

Теоретически для гидратации полуводного гипса с образова­нием двуводного требуется около 20 % воды по массе вяжущего вещества. Практически для получения необходимой консистен­ции смеси (гипсового теста) требуется 50...70 % воды (у строи­тельного гипса больше, высокопрочного — меньше). Оставшаяся вода (30...50 %) создает пористость в структуре гипсового камня и снижает прочность. Поэтому чем выше водопотребность гип­сового вяжущего, тем меньше будет его прочность в изделиях.

Водопотребность гипсового вяжущего увеличивается с по­вышением степени его измельчения, т. е. тонкости помола. Но применение гипсового вяжущего более тонкого помола, даже при некотором увеличении водопотребности, приводит к повышению прочности гипсовых изделий. Поэтому более целесообразно ис­пользовать гипсовые вяжущие высоких марок, но в разумных пределах и с учетом показателя «цена — качество».

Сроки схватывания гипсовых вяжущих характеризуются вре­менем начала и конца схватывания и определяются с помощью прибора Вика. За начало схватывания принимается время в ми­нутах от начала затворения их водой до момента, когда свободно опущенная игла прибора Вика после погружения в гипсовое те­сто стандартной консистенции впервые не доходит до дна фор­мы-кольца, за конец схватывания — время до момента, когда игла погружается в тесто на глубину не более 1 мм.

Гипсовые вяжущие являются быстросхватывающимися и быстротвердеющими. В зависимости от сроков схватывания их подразделяют на три вида:

• А — быстротвердеющие (начало схватывания - не ранее 2 мин, конец схватывания — не позднее 15 мин);

• Б — нормальнотвердеющие (начало схватывания — не ранее 6 мин, конец схватывания — не позднее 30 мин);

• В — медленнотвердеющие (начало схватывания — не ранее 20 мин, конец схватывания не нормируется).

В производственных условиях часто возникает необходимость либо замедлить, либо ускорить процесс схватывания и твердения вяжущего. Достигается это путем введения соответствующих до­бавок. В качестве замедлителей используются сульфитно-спир­товая барда (ССБ), водный раствор столярного клея, 50%-ный раствор уксуса и др. Ускорителями служат молотый природный гипс (1 % от массы вяжущего), поваренная соль (0,5 %) и др.

Тонкость помола гипсового вяжущего характеризуется остат­ком на сите № 02 (с отверстиями размером 0,2 мм) и выражается в процентах по массе как отношение массы оставшейся на сите пробы к массе первоначальной пробы. Различают три степени помола:

•I — грубый помол (остаток на сите не более 23 %);

•II — средний помол (остаток на сите не более 14 %);

• III — тонкий помол (остаток на сите не более 2 %).

Тонкость помола гипсовых вяжущих с остатком на сите не более 2 % реко-мендуется оценивать по удельной поверхности (суммарной поверхности всех зерен в единице объема или мас­сы), которая составляет, как правило, 300...500 м²/кг.

Механическая прочность затвердевших гипсовых вяжущих определяется по результатам испытаний стандартных образцов (призм 40х40х160 мм) на изгиб и сжатие через 2 ч после их фор­мования. По прочности гипсовые вяжущие подразделяются на 12 марок: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25. Цифры обозначают минимально допустимую прочность при сжатии в МПа. Марки Г-2...Г-7 обычно соответствуют гипсо­вому вяжущему β-модификации, а Г-10...Г-25 — α-модификации.

Для повышения прочности гипсовых изделий в состав при их приготовлении вводят полимерные и другие добавки. Это приво­дит к значительному увеличению прочности (для литых гипсополимербетонов — до 20...30 МПа, прессованных — до 60 МПа).

Маркируются гипсовые вяжущие по трем показателям — прочности, скорости схватывания и тонкости помола. Например, Г-7 А II — гипсовое вяжущее прочностью на сжатие не менее 7 МПа, быстросхватывающееся, среднего помола.

Гипсовые вяжущие применяют для изготовления перего­родочных плит и панелей, гипсовых и гипсобетонных блоков (замковых, пазогребневых), в том числе из ячеистого бетона, санитарно-технических кабин, вентиляционных коробов, гип­сокартонных и гипсоволокнистых листов, акустических плит, гипсовых и известково-гипсовых растворов для штукатурки, клеевых, шпатлевочных, штукатурных и кладочных сухих смесей, различных архитектурно-декоративных (лепных) изделий и при производстве гипсоцементно-пуццоланового вяжущего. По­скольку гипсовые вяжущие являются воздушными, их можно ис­пользовать только в условиях с относительной влажностью воздуха до 60 % (т. е. не подвергать воздействию водной среды).

1. Портландцемент

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество с пре­обладанием в составе силикатов кальция (суммарное содержа­ние 70-80%), получаемое совместным тонким измельчени­ем клинкера и двуводного гипса в количестве 3—5% от массы клинкера.

Классификация цементов:

1. По назначению цементы подразделяют:

- на общестроительные – основным требованием к ним является обеспечение прочности и долговечности бетонов или растворов;

- специальные – наряду с формированием прочности к ним предъявляются специальные требования.

2. По вещественному составу цементы подразделяют на пять типов: ЦЕМ I (СЕМ I) — портландцемент; ЦЕМ II (СЕМ II)— портландцемент с минеральными добавками; ЦЕМ III (СЕМ III) — шлакопортландцемент; ЦЕМ IV (СЕМ IV)— пуццолановый цемент; ЦЕМ V (СЕМ V) — компози­ционный цемент.

3. По пределу прочности на сжатие при твердении в нормаль­ных условиях (влажность 95±5 %, температура 20±2 °С) в тече­ние 28 суток цементы подразделяют на классы; 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

4. По срокам схватывания:

- на медленно схватывающиеся (с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч);

- нормально схватывающиеся (45 мин…2 ч);

- быстро схватывающиеся – менее 45 мин.

5. По скорости твердения, оцениваемой по проч­ности на сжатие в возрасте 2 (7) или 28 суток, каждый класс цемен­тов (кроме 22,5) дополнительно подразделяют на два подклас­са: П или «N» (нормальнотвердеюший) и Б или «R» (быстротвердеющий).

На сегодняшний день портландцемент является основным строительным материалом, используемым в качестве одного из главных сырьевых компонентов для производства железобе­тона в заводских условиях, товарных бетонов и строительных растворов, стеновых безобжиговых изделий, асбестоцемент­ных, теплоизоляционных и других материалов.

2. Основные параметры портландцемента

Плотность затвердевшего в результате гидратации портландцементного камня 3050-3150 кг/м³, а насыпная плот­ность портландцемента зависит от уплотнения и в среднем со­ставляет 1100 кг/м³.

Тонкость помола — параметр, по которому оперативно в производственных условиях возможно оценить удельную поверхность (поверхность зерен) портландцемента (обычно 250—300 м²/кг), которая является показателем скорости схва­тывания, твердения и прочности цементного камня в проект­ном возрасте. Тонкость помола цементов определяют остатком на сите № 008, который согласно ГОСТу не должен превы­шать 15%.

Водопотребностъ (нормальная густота) портландцемента характеризуется количеством воды (в % по массе цемента), необходимым для получения цементного теста определенной стандартной (нормальной) пластичности (густоты). Нормаль­ную густоту цементного теста измеряют с помощью прибора (пластиметра) Вика по погружению пестика, укрепленного на штанге, на определенную глубину.

Для процессов гидратации требуется 15..20% воды от массы цемента. Однако, чтобы обеспечить необходимую подвижность цементного теста, воды берут значительно больше. Нормальная густота наших портландцементов колеблется в пределах 22…28%, у пуццолановых она выше и достигает 35%. Вода, не из­расходованная в процессе гидратации, остается в структуре цементного камня, образуя поры, а затем испаряется из них со временем с образованием пустот, снижающих прочностные характеристики.

Сроки схватывания (скорость протекания реакций гидрата­ции) проверяют, погружая иглу на приборе Вика: начало схва­тывания должно быть не ранее 45 минут с момента затворения, а окончание — не позднее 12 часов.

Клинкер — гранулированный полуфабрикат, получаемый высокотемпературным обжигом до спекания при темпера­туре до 1450⁰ С тонкоизмельченной сырьевой смеси, состоя­щей из карбонатного (известняк или мрамор), глиноземистого (глины, мергель), кремнеземистого (кварцевый песок) и желе­зосодержащего (отходы производства, огарки) компонентов, что обеспечивает преобладание в клинкере силикатов, алюми­натов и алюмоферритов кальция:

СаО - 64-67 %

SiO_{2 - 24-25%}

А1₂О_{3- 4-8 %}

Fe₂О_{3 - 2-4 %}

MgO - 1-2 %

Для обозначения состава минералов, входящих в цемент, пользуются сочетанием соответствующих оксидов, для ко­торых приняты их сокращения: СаО обозначают буквой С, SiO₂ — S, А1₂О₃ — A, Fe₂О₃— F, Н₂О — Н. При первых микроскопических исследованиях минерального состава цементного клинкера (табл. 2) трем открытым в нем минералам были при­своены названия по первым буквам латинского алфавита a,b, c (алит, белит, целит).

Алит – один из важнейших клинкерных минералов, определяющий время твердения, прочность и другие свойства. Отличается высокими химической активностью, скоростью твердения и прочностью, т. е. повышенное содержание в клинкере алита обеспечивает получение быстротвердеющего и высокопрочного портландцемента. При твердении алита выделяется много тепла, особенно в начальные сроки твердения (тепловыделение к третьим суткам достигает примерно 2/3 от тепловыделения при полной гидрации). Это может иметь как положительные, так и отрицательные последствия.

Белит - значительно менее активен, чем алит. Твердеет медленно, но продолжительное время и в последующем (через 1-2 года твердения) набирает достаточно высокую прочность. При твердении выделяет мало тепла (примерно в 2 раза меньше, чем у алита) и через трое суток твердения составляет около 10% от тепловыделения при полной гидратации.

Целит – это самый активный клинкерный минерал, очень быстро гидратируется и твердеет, сильно ускоряет сроки схватывания (всего несколько минут). Если не ввести замедлитель схватывания (добавку двуводного гипса или другие замедлители), то получают цемент под названием быстряк, бетонные смеси на котором невозможно перемешать и уложить в форму. При этом выделяет еще и большое количество тепла. Его тепловыделение при полной гидратации почти в 2 раза больше, чем у алита, а за трое суток составляет не менее80% от общего тепловыделения. Кроме того, целит имеет небольшую прочность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений (вызывает сульфатную коррозию).

Браунмиллерит характеризуется умеренным тепловыделением, твердеет медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность тоже несколько ниже, чем у алита.

3. Производство портландцемента

Процесс производства портландцемента состоит из следую­щих основных операций: добыча сырьевых материалов; дро­бление, помол и усреднение состава сырьевой смеси: обжиг сырьевой смеси и получение клинкера; совместный помол клинкера и гипсового камня.

В зависимости от способа подготовки сырьевой смеси раз­личают следующие способы производства портландцементного клинкера: мокрый (измельчение сырьевых материалов, их перемешивание, усреднение и корректирование сырьевой смеси осуществляется при наличии воды), сухой (в сухом виде) и комбинированный (в полусухом виде). Способы выбирают в зависимости от технологических и технико-экономических факторов: свойства, однородность и влажность сырья, наличие достаточной топливной базы и другие. Каждый способ произ­водства имеет свои достоинства и недостатки.

При мокром способе производства сырьевые материалы из­мельчают без дополнительного высушивая, а сырьевую смесь смешивают и корректируют в виде сметанообразной массы (сырьевой шлам) с влажностью 32—45%. Для мокрого способа производства цемента характерно использование мягкого глинистого и известнякового компонентов.

При измельчении глиноземистого и карбонатного сырье­вых компонентов используют болтушки или мельницы самоизмельчения. Если применяемый известняк твердый, то его дробят в одну-две стадии в щековых дробилках, а затем на­правляют в сырьевую мельницу для совместного измельчения с другими компонентами. В мельнице происходит усреднение, гомогенизация и подбор соотношения компонентов, соответ­ствующих требуемому химическому составу клинкера. Выхо­дящий из мельниц сырьевой шлам насосами подают в расход­ный бак перед обжигом, откуда он впоследствии равномерно сливается в длинную вращающуюся печь со встроенными те­плообменными устройствами.

После обжига во вращающейся печи клинкер охлаждают холодным воздухом в специальном холодильнике, после чего охлажденный клинкер отправляют на клинкерный склад, с которого по мере необходимости его транспортируют на совмест­ный помол в цементных мельницах с гипсовым камнем, шлаком и необходимыми гидравлически и другими добавками.

Готовый продукт – измельченный портландцемент из мельницы транспортируют на силосный склад (цементные верти­кальные силосы), откуда его отгружают конечному потребите­лю в таре (бумажных мешках по 50 кг или полипропиленовых биг-бэгах по 1 тонне), в специальных железнодорожных вагонах либо в автоцементовозах.

При сухом способе производства портландцемента выбор пара­метров технологического оборудования также напрямую зави­сит от физических и химических свойств сырья, а укруп­ненная технологическая схема состоит из следующих операций:

1. После раздельного крупного дробления известняк и гли­ну сушат выходящими из печи газами до влажности не более 1 % и одновременно измельчают в сырьевой сепараторной мельнице до состояния муки. Также в сырьевую мельницу по­дают дозированно остальные компоненты смеси.

2. Готовую сырьевую муку с определенным требуемым хи­мическим составом корректируют, гомогенизируют и хранят в специальных сырьевых силосах, причем в разных емко­стях состав незначительно отличается по титру (содержанию СаСО₃) для возможности регулирования технологического процесса обжига.

3. Из силосов сырьевая смесь поступает в систему многосту­пенчатых вертикально расположенных циклонных теплооб­менников, в которых за время пребывания 25—30 с происходит первичная высокотемпературная обработка, нагрев смеси от­ходящими из вращающейся печи газами до температуры более 1100 ⁰С и протекание части химических реакций. После это­го подготовленный материал поступает в короткую враща­ющуюся печь, где происходит его спекание при температуре до 1450 ⁰С, и завершаются необходимые химические реакции. Дальнейшие операции (охлаждение и хранение клинкера, сов­местный помол с получением портландцемента) аналогичны мокрому способу.

При комбинированном способе производства сырьевую смесь получают по мокрому способу производства в виде шлама, который затем для экономии затрат тепла на обжиг клинкера подвергают обезвоживанию и грануляции и в таком виде об­жигают в печах сухого способа производства. Особенности тех­нологических операций и их последовательность при комби­нированном способе следующие:

— сырьевой шлам на выходе из мельницы имеет влажность 35- 40% и после корректировки поступает для обезвоживания до влажности 16—20 % в вакуум-фильтр или пресс-фильтр;

— на выходе «сухарь» смешивают с пылью из электрофиль­тров и дымовых газов печи для предотвращения слипания кусков «сухаря» и дополнительного снижения его влажности до 12-14%;

— брикетированную смесь обжигают во вращающихся пе­чах сухого способа производства;

— остальные производственные операции по изготовлению портландцемента аналогичны соответствующим операциям при других способах производства.

4. Специальные виды цементов

Декоративные портландцемент — это белый и цветной портландцемент. Их применяют в архитектурно-отделочных работах. Белые и цветные портландцемент выпускаются двух марок: 400 и 500.

Для производства белого портландцемента используют чистые известняки, каолиновые глины, в ре­зультате чего получают клинкер белого цвета, который до­полнительно отбеливают резким охлаждением после обжи­га. Помол производят фарфоровыми шарами в специально футерованных мельницах, исключающих попадание в це­мент оксидов железа. Возможно добавление минеральных пластифицирующих (маркировка ПЛ) и гидрофобных доба­вок (маркировка ГФ), а также активных и инертных добавок не более 20% (маркировка Д20), не снижающих белизну це­мента. По степени белизны цементы разделяются на три сорта: 1, 2 и 3.

Цветной портландцемент может быть желтым, розовым, крас­ным, коричневым, голубым, зеленым, черным. Его получают либо совместным помолом клинкера белого портландцемента со свето- и щелочестойкими добавками (суриком, ультрамари­ном и др.), либо по специальной технологии, по которой по­лучение необходимого цвета достигается подбором исходного сырья. Последний способ позволяет получить пометы редких цветов (синие, зеленые, бирюзовые) и более устойчивые.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) — это портланд­цемент с минеральными добавками, который отличается ин­тенсивным нарастанием прочности в первый период твердения. Повышенная механическая прочность БТЦ достигается надле­жащим подбором минералогического состава клинкерной мар­ки БТЦ 400 и 500. Для этого вида цемента нормируется проч­ность не только в 28-суточном возрасте, но и в 2-суточном. БТЦ предназначен для изготовления железобетонных конструкций и изделий в заводских полигонных условиях, а также для ско­ростного строительства. Применение БТЦ дает возможность отказаться от тепловлажностной обработки бетона.

Тампонажные портландцементы предназначены для тампо­нирования нефтяных и газовых скважин с целью их изоляции от грунтовых вод. К тампонажным цементам предъявляются жесткие технические требования: высокая текучесть, незави­симость от температуры и давления, конкретные, в зависимо­сти от давления и температуры, сроки схватывания, прочность затвердевшего цементного раствора в ранние сроки, обеспечи­вающая закрепление колонны труб в стволе скважины. Сроки схватывания не ранее 2 часов и не позднее 10 часов.

Технология производства вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) базируется на тонком измельчении портландцемен­та с повышенными дозами сухого суиперпластификагтора. Это вяжущее имеет низкую нормальную густоту цементного те­ста (в среднем 18%). Производят марки ВНВ-100, ВНВ-50, ВНВ-30. Использование ВНВ-100 позволяет получить бето­ны прочностью 100 МПа и выше, а ВНВ-50 сэкономить значи­тельное количество портландцементного клинкера (до 45 %).

Для получения гидрофобного портландцемента при помо­ле добавляют (не более 0,3% от массы цемента) асидол, аси­дол-мылонафт, мылонафт, олеиновую кислоту или окисленный петролатум. Эти материалы образуют на поверхности цементных зерен водоотталкивающие (гидрофобные) пленки, которые препятствуют смачиванию зерен цемента водой. Та­кие цементы могут длительно храниться в неблагоприятных условиях, не теряя своих свойств. В процессе перемешива­ния гидрофобные пленки сдираются и проявляются при этом пластифицирующие свойства, вовлекая в смесь большое ко­личество мелких пузырьков воздуха. Аналогично пластифи­цированному цементу процесс твердения, особенно в ранние сроки, замедлен. Растворы и бетоны на гидрофобных цементах имеют меньшую водопроницаемость, большую морозостой­кость. а следовательно, и долговечность. Гидрофобный портландцемент выпускают марок 300 и 400.

Основное достоинство расширяющихся цементов — отсут­ствие усадки в процессе твердения. Все вяжущие вещества, за исключением гипсового, при твердении уменьшаются в объ­еме, это нередко приводит к появлению трещин, к уменьше­нию водонепроницаемости и долговечности. Расширяющиеся цементы используются в ремонтных работах для заделки тре­щин, щелей, бетонирования, для зачеканки швов, производст­ва гидроизоляционных штукатурок, расширяющихся и безуса­дочных бетонов и растворов. Расширяющийся портландцемент получают совместным помолом 58—65 % портландцементного клинкера. 5-7% высокоглиноземистого шлака, 7—10% дву­водного гипса и 23-28% активной минеральной добавки. Его выпускают марок М400, М500, М600. Линейное расширение образцов цементного камня через сутки твердения должно быть не менее 0.15 %. а через 28 суток — не менее 0,2 % и не бо­лее 2 %.

Напрягающий цемент создан советскими учеными на основе способности цементов с большим содержанием алюминатной составляющей к увеличению объема при твердении. В процес­се расширения этот цемент создает в арматуре предварительное напряжение. В зависимости от усилий, возникающих в бетоне при использовании таких цементов, различают три разновид­ности напрягающих цементов: НЦ-2, НЦ-4, НЦ-6. Начало схватывания этих цементов не ранее 30 мин, конец — не позд­нее 4 ч. Прочность через сутки — не менее 15 М Па, через 28 суток — 50 МПа. Используются в сооружениях, где требуется по­вышенная газо-, паро-, водонепроницаемость.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают совместным по­молом портландцементного клинкера, гипса и гранулирован­ного доменного шлака в количестве не менее 21 % и не более 60%. Чем больше шлака, тем меньше активность цемента. По сравнению с портландцементом ШПЦ характеризуется замедленным нарастанием прочности в ранние сроки, в даль­нейшем скорость твердения повышается и к 6—12 месяцам его прочность приближается к прочности портландцемента. ШПЦ имеет низкую экзотермию и повышенную устойчивость к аг­рессивному воздействию. Используют при гидротехническом строительстве, в строительстве портовых сооружений. Не ре­комендуется применять ШПЦ для конструкций, подвергаю­щихся попеременному замораживанию и таянию, а также при пониженных температурах,

Пуццолановый портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом цементного клин­кера, гипса и активной минеральной добавки. Активные мине­ральные добавки — это природные или искусственные вещест­ва, которые при смешивании в тонкомолотом виде с известью придают ей свойства гидравлического вяжущего. Они бывают вулканического (пеплы, туфы, витрофиры, трассы) и осадочно­го (диатомиты, трепелы, опоки, глиежи) происхождения. В ка­честве искусственных добавок используются доменные гранули­рованные и топливные шлаки, нефелиновый шлам, зола-унос.

Содержание в пуццолановом портландцементе активных добавок вулканического происхождения или топливной золы составляет 25-40%, а добавок осадочного происхождения — 20-30%. Введенная добавка увеличивает водопотребность цемента, что приводит к ухудшению морозостойкости и увеличению расхода цемента. Процесс твердения замедляется, особенно в начальный период. С другой стороны, добавка, связывая свободный гидроксид кальция, придает цементному камню большую коррозионную стойкость, особенно водо- и сульфатостойкость. Поэтому пуццолановые цементы весьма эффективно использовать при возведении подводных и под­земных сооружений. Хорошая эффективность достигается при использовании таких цементов в заводских условиях, где изде­лия подвергаются тепловлажностной обработке. Цемент выпу­скается двух марок — 300 и 400.

Глиноземистый цемент по прочности разделяют на марки 400, 500 и 600, определяемые по результатам испытаний на сжатие половинок призм размером 4х4х16 см, изготовленных из ма­лопластичного цементно-песчаного раствора 1:3 и испытан­ных через 3 суток нормального твердения. Через 1 сутки твер­дения цемент достигает 80—90% трехсуточной прочности.

Для твердения глиноземистого цемента наиболее благопри­ятны водные условия. Как воздушное, так и комбинированное воздушно-влажное хранение сопровождается значительным падением прочности бетонов на этом цементе в отдаленные сроки твердения (на 50—60% через 10—20 лет). Прочность снижается иногда и в первый месяц твердения. По стандарту не допускается снижение прочности на растяжение образцов 28-суточного возраста по сравнению с прочностью образцов трехсуточного возраста более чем на 10% . При пониженных температурах (от +5 до -10 °С) глиноземистый цемент твердеет достаточно интенсивно вследствие значительного вы­деления теплоты.

Бетоны на глиноземистом цементе хорошо сопротивляются действию температур до 1200—1400 ⁰С и выше. В этом случае не возникают разрушающие деформации (как у бетонов на порт­ландцементе) при увлажнении их после воздействия высоких температур. Это объясняется тем, что в глиноземистом цементе нет гидроксида кальция, который, присутствуя в затвердевшем портландцементе, при нагревании до 500 ⁰С и выше переходит в СаО, гидратирующийся при повторном увлажнении, увеличи­ваясь в объеме и разрушая цементный камень.

Широко применяется данный цемент при изготовлении жароупорных бетонов и различных видов расширяющихся це­ментов, а также при выполнении аварийных и ремонтных ра­бот. Недопустимо его применение в бетонных конструкциях, подвергающихся щелочной агрессии. Выпускается глиноземи­стый цемент следующих видов:

Цемент глиноземистый марок ГЦ-40, ГЦ-50, ГЦ-60.

Цемент высокоглиноземистый марок ВГЦ-I, ВГЦ- II, ВГЦ- III.

Цемент высокоглиноземистый коррозионно-стойкий мар­ки ВГКЦ-75—01.

1. Известесодержащие вяжущие

Известесодержащие вяжущие получают на основе воздушной и гидравлической извести и активных минеральных добавок. Это малопрочные местные вяжущие материалы, которые называют также смешанными. Вяжущие вполне пригодны для получения строительных растворов и малопрочных бетонов, так как заменяют ценные гидравлические вяжущие материалы (цементы).

Известково-пуццолановые вяжущие — порошкообразные смеси строительной извести с различными активными минеральными добавками; применяются в кладочных и штукатурных растворах, а также в производстве стеновых бетонных камней для малоэтажных зданий. Различают две группы: а) однокомпонентные (все обожжённые тонкоразмолотые породы, основным сырьём которых являются золы тепловых станций, торф и др.) и б) смешанные (все искусственно приготовленные порошкообразные смеси из строительной извести и кислых активных минеральных добавок).

Известково-шлаковые вяжущие — порошкообразные смеси гранулированного доменного шлака и строительной извести; применяются для строительных растворов и бетонов. В зависимости от состава шлака, тонкости помола смеси содержание извести в известково-шлаковые вяжущих колеблется в пределах 10 —30%. Иногда при помоле такой смеси вводят небольшое количество гипса (до 5%). Известково-шлаковые вяжущие используются при изготовлении неармированных тяжёлых бетонов (марки 100 и ниже), в кладочных и штукатурных растворах (до марки 75 включительно). В целях повышения стойкости растворов в условиях увлажнения кладки и действия мороза в смесь вводится портландцемент (15—20% от массы вяжущего).

Известково-кремнеземистое вяжущее вещество, получаемое в условиях автоклава, представляет собой продукт синтеза химически активного сырья с образованием гидросиликатов цементирующей связки в искусственных силикатных конгломератах. Одним из наи­более часто используемых компонентов сырьевой смеси служит из­весть. Она обладает большой химической активностью к кремнезе­му при термовлажностной обработке. Поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например кварцит или другие кислые породы, кислые шлаки, золы. Чтобы химическое взаимодействие проходило интенсивнее (со сбережением тепловой энергии и топлива), кремнеземистый компонент подвергают тонко­му измельчению. Непременным третьим химически активным ком­понентом сырьевой смеси служит вода.

В настоящее время к самой распространенной составляющей ав­токлавных известково-кремнеземистых вяжущих веществ относят кальциевую известь. Установлено, чтобы CaO+MgO было больше 70%, в том числе MgO не более 5%;CO₂ — ме­ньше 8%, время гашения не более 20 мин. В природе чаще встреча­ются мергелистые и доломитизированные известняки, и поэтому проблема использования магнезиальной извести, получаемой об­жигом таких известняков, остается весьма актуальной. Присутст­вие MgO свыше 5% приводит к запоздалому гашению этого оксида (периклаза) с образованием Mg(OH)₂ и появлению трещин в сили­катных изделиях.

При автоклавной обработке образуются наиболее устойчивые низкоосновные гидросиликаты с соотношением CaO:SiO₂ в преде­лах 0,8—1,2, хотя на промежуточных стадиях отвердевания возмож­ны и более высокоосновные химические соединения.

В формировании структуры и свойств силикатного камня как цементирующей связки на основе известково-кремнеземистого вя­жущего вещества большую пользу приносят добавочные компонен­ты (добавки), выполняющие функции ускорителей процессов хими­ческого становления гидросиликатов кальция и магния.

Сульфатно-шлаковые вяжущие вещества получают при активи­зации доменного гранулированного шлака двуводным и полуво­дным гипсом и ангидридом с добавкой оксидов кальция и магния в виде обожженного доломита, извести или портландцемента. Суще­ствуют две их разновидности: гипсошлаковое и шлаковое бесклин­керное. Чаще применяют гипсошлаковое, как сильно гидравличе­ское вяжущее вещество. Оно состоит из 75—85% доменного гранулированного шлака, 15—20% двуводного гипса или ангидри­та, до 5% портландцементного клинкера (можно заменить 2% окси­да кальция). Используют шлаки с повышенным содержанием глино­зема (15-20%). Это медленно твердеющее вещество марок М150, М200 и М300. Наряду с обычным применением в бетонных и желе­зобетонных наземных конструкциях его целесообразно применять для подводных частей сооружений, работающих в условиях суль­фатной агрессии. Шлаковое бесклинкерное вяжущее называют так вследствие очень малого содержания в нем активизирующей добав­ки, состоящей из 5—8% ангидрита и 5—8% обожженного доломита; остальная масса — доменный гранулированный шлак в количестве 85—90%.

Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие вещества (ГЦПВ) обладают гидравлическими свойствами и способностью быст­ро твердеть. Их получают смешением 50—75% полуводного гипса, 15—25% портландце­мента и 10—25% активной минеральной добавки в виде диатомита, трепела, опоки и др. Так, бетоны на ГЦПВ, приготовленные с исполь­зованием высокопрочного гипса, достигают предела прочно­сти при сжатии после 2—3 ч твердения 9,4—14,7 МПа, а через 7—15 суток нормального твердения — 30—40 МПа. ГЦПВ ши­роко применяют для изготовления различных строитель­ных конструкций (панелей, стен ванных комнат, сан кабин) и в строительстве малоэтажных зданий, особенно в сельской местности.

2. Минеральные добавки к смешанным вяжущим веществам

К неорганическим смешанным относятся вяжущие вещества, по­лучаемые объединением воздушных и гидравлических вяжущих с активными минеральными добавками и шлаками при их совмест­ном помоле или после раздельного измельчения.

Активными минеральными добавками называются природные или искусственные вещества, которые при смешении в тонкоизмель­ченном виде с воздушной известью переводят ее в вяжущее вещество с гидравлическими свойствами, а при смешении с портландцемен­том усиливают ее гидравлические свойства и повышают водостой­кость смешанного вяжущего вещества. Применение этих добавок также экономически целесообразно — снижается стоимость порт­ландцемента за счет экономии клинкера.

Среди природных активных минеральных добавок вулканиче­ского происхождения широкое применение получили пуццоланы, туфы, пемзы и трассы, а из осадочных горных пород — диатомиты, трепелы, опоки. Характерным для добавок из осадочных горных пород является наличие в них преобладающего количества кремне­земистых компонентов, находящихся в аморфном состоянии, а для добавок вулканического происхождения — аморфных алюмосили­катов.

К искусственным активным минеральным (гидравлическим) до­бавкам относятся: шлаки доменные гранулированные, топливные золы и шлаки, обожженные глины (глиежи, цемянки), побочные продукты и отходы производств, например нефелиновый (белитовый) шлам — отход глиноземного производства; сиштоф — отход при производстве сернокислого алюминия и квасцов и др. Некото­рые из упомянутых искусственных активных добавок по химическо­му составу близки к составу вяжущего вещества и поэтому количе­ство таких добавок нередко бывает доминирующим. Именно к таким компонентам смешанных вяжущих веществ относится грану­лированный доменный шлак, химический состав которого весьма сходен с составом портландцементного клинкера, а именно (%): CaO— 30-50, SiO₂— 28-30, Al₂O₃— 8-24, MgO— 1-12 и др. Весьма близок по минеральному составу нефелиновый шлам к белитовому портландцементу: в шламе до 80% по массе содержится двухкальциевого силиката 2СаО∙SiO₂ (белита). Это в полной мере относится к шлаку бокситовой руды при до­менной плавке этого природного материала (в присутствии некото­рых добавок).

1. Магнезиальные вяжущие

К магнезиальным вяжущим относят каусти­ческий магнезит и каустический доломит, изобретенные фран­цузким инженером С. Сорелем в середине XIX в. Такие вяжу­щие называют еще цементом Сореля. Особенностью магнези­альных вяжущих является то, что они затворяются не водой, а водными растворами солей. При затворении таких вяжущих водой получаются материалы небольшой прочности. Кроме того, характерной особенностью магнезиальных вяжущих является повышенная прочность сцепления с минеральными и осо­бенно органическими заполнителями (опилками, стружками, древесной шерстью). Органические заполнители в такой среде не подвергаются разложению. Применяют магнезиальные вяжущие для изготовления различных камнеподобных материалов с заранее заданными свойствами под общим названием «магно­лит» - ксилолита, фибролита, теплоизоляционных материалов, штукатурных растворов, искусственного мрамора и ряда других изделий.

Каустический магнезит получают умеренным обжигом при температуре 750...850 ⁰С горной породы магнетита (MgCO₃) до полного разложения ее в оксид магния (MgO) с последую­щим и измельчением в тонкий порошок белого или желтоватого цвета. Помол осуществляется в шаровой мельнице с сепаратором. Качество каустического магнезита в значитель­ной степени зависит от температуры и продолжительности об­жига. В зависимости от содержания МgО и примесей каустический магнезит подразделяется на три класса (I, II и III) с содержанием соответственно MgO не менее 87, 83 и 75% и СаО не более 1,8, 2,5 и 4,5%.

Затворяют каустический магнетит чаще всего водными рас­творами хлористого магния (что способствует образованию ги­дрохлорида магния 3MgO· MgCl₂·6Н₂О) или сернокислого магния, сернокислого железа и других солей. Поэтому схватывание и твердение такого вяжущего обусловлено в основном гидрата­цией оксида магния. Сроки схватывания зависят от температуры обжига и тонкости помола. Пережог и грубый помол замедляют, а более тонкий помол и умеренный обжиг ускоряют процесс схватывания каустического магнезита. Начало его схватывания должно наступать не ранее 20 мин, а конец схватывания — не позднее 6 ч. Каустический магнезит является быстротвердеющим вяжущим с высокой конечной прочностью: через сутки прочность растворов и бетонов достигает 35...50%, а через 7 суток — 60...90% наибольшего значения. Каустический магнезит делится на марки по прочности 400, 500 и 600.

Каустический магнезит при хранении довольно интенсивно поглощает влагу и углекислоту из воздуха. В результате образует­ся Mg(OH)₂ и MgCO₃. Поэтому хранить его надо в плотной гер­метической таре.

Каустический доломит получают обжигом при температуре 650...750⁰С природного доломита (CaCO₃·MgCO₃) с последую­щим измельчением в тонкий порошок до остатка на сите № 02 не более 5%. Однако с увеличением тонкости помола вяжущие свойства каустического доломита значительно улучшаются.

Из-за низкой температуры обжига доломита разлагается толь­ко MgCO₃ в оксид магния (MgO), а большая часть карбоната кальция остается неразложившейся, так как температура его раз­ложения выше (около 900 ⁰С). Поэтому реакционная активность каустическою доломита ниже, чем магнезита, а следовательно, ниже и прочность (10...30 МПа) Начало схватывания наступает через 3...10 ч, конец через 8…20 ч после затворения. Затворяют каустический доломит теми же растворами солей, что и магнезит.

Качество каустическою доломита определяется, прежде все­го, содержанием оксида магния и температурой обжига. В его со­ставе должно находиться предельно возможное (не менее 15%) содержание оксида магния при минимальном количестве оксида кальция (не более 2,5%) При затворении каустического доломи­та растворами солей магния оксид кальция реагирует с ними, об­разуя хлористый или сернокислый кальций, что отрицательно отражается на качестве затвердевшего каустического доломита. Повышается гигроскопичность изделий и ухудшается их долговечность. Затвердевший каустический доломит, как и магнезит, неводостойкий материал и разрушается в воде вследствие вымы­вания из них растворимых солей (MgCl₂ и др.).

2. Растворимое стекло и кислотоупорный цемент

Жидкое (растворимое) стекло - это водный раствор силиката натрия (натриевой соли кремниевой кислоты). Оно известно с середины XVI в., но доступным для технического использова­ния стало после работ А. Фукса (1818). Поэтому раньше его называли фуксовым стеклом.

В настоящее время жидкое стекло получают при сплавлении в стекловаренных печах при температуре 1300... 1400 ⁰С измель­ченного чистого кварцевого песка с содой (Na₂CO₃) или сульфа­том натрия (Na₂SО₄). После охлаждения образующиеся куски стекла (силикат-глыбы) растворяют паром в автоклавах под давлением 0,6.. 0,8 МПа и температуре 150 ⁰С до сиропообразной консистенции (рис. 3). В результате образуется вязкий раствор с истинной плотностью 1,40... 1,55 г/см³, называемый натриевым жидким стеклом, способным в дальнейшем растворяться в воде и затвердевать на воздухе. Состав натриевого жид­кого стекла выражается формулой Na₂O·nSiО₂ + mH₂O.

Качественной характеристикой жидкого стекла является си­ликатный модуль (отношение SiO₂/Na₂О), показывающий, сколько кремнекислоты приходится на единицу оксида натрия. Чем больше значение силикатного модуля, тем выше качество стекла. Численное значение модуля может находиться в пределах 2,2...3,5. Для строительных целей чаще всего используют стекло с модулем 2,6...2,8 при плотности 1,3...1,6 г/см³.

Значительно реже в качестве второго компонента использует­ся поташ (K₂CO₃ - карбонат калия), и тогда получают калиевое жидкое стекло.

Калиевое жидкое стекло характеризуется значениями сили­катного модуля 2,8...4,0 при плотности 1,25...1,40 г/см³. Оно бо­лее дорогое и применяется в основном для изготовления сили­катных красок и клеящих составов. Калиевое стекло не дает на штукатурке и окраске высолов, чем выгодно отличается от натриевого жидкого стекла.

Жидкое стекло - воздушное вяжущее. Твердеет медленно, т.е. в результате слипания и уплотнения частиц свободного кремне­зема при испарении воды и воздействии углекислого газа воздуха

Однако глубина проникания углекислоты воздуха сравни­тельно невелика и наблюдается только с поверхности. Ускорить процесс твердения и получить при этом водонерастворимые продукты реакции можно добавкой фторсиликата натрия Na₂SiF₆ (кремнефтористый натрий). На этом основано тверде­ние кислотоупорного цемента.

В строительстве чаше всего используемся натриевое жидкое стекло. Его применяют при изготовлении кислотоупорных и ог­неупорных растворов и бетонов, огнезащитных красок и зама­зок, стабилизации грунтов и в других целях. Нельзя применять жидкое стекло для конструкций, подверженных длительному воздействию воды, щелочей и фосфорной фтористо-водород­ной или кремнефтористо-водородной кислоты. К недостаткам жидкого стекла следует отнести склонность к замерзанию и короткие сроки хранения.

Кислотоупорный цемент (полное название – цемент кислотоупорный кварцевый кремнефтористый) получают из смеси, приготовленной путем совместного помола или тщательного перемешивания раздельно измельченных кварцевого песка и кремнефтористого натрия в соотношении 10:1, и затворенной водным раствором натриевого жидкого стекла. Вяжущим материалом в кислотоупорном цементе является жидкое стекло. Общее содержание оксида кремнезема (SiО₂) должно быть не менее 92%.

Твердеет такой цемент в воздушно-сухих условиях при положи­тельной температуре (не менее +10 ⁰С). Начало схватывания на­ступает в зависимости от содержания кремнефтористого натрия через 20...60 мин, конец схватывания - не позднее 6 ч. Через 28 суток прочность изделий на кислотоупорном цементе достигает 20...40 МПа.

Применяют кислотоупорный цемент для изготовления кис­лотостойких растворов, бетонов, замазок, обмазок, устройства кислотостойких полов. Изделия и конструкции из кислотоупор­ного раствора или бетона рекомендуется обрабатывать крепкой минеральной кислотой, например соляной, т.е. откисловать. В результате протекания химических реакций смесь уплотняет­ся, обезвоживается и происходит образование твердого опало­видного кремнезема (SiO₂·Н₂О). Прочность кислотоупорного бетона, обработанного концентрированной кислотой, достигает 50...60 МПа

Цель работы: Научиться определять различные виды вяжущих по внешним признакам.

Инструменты, приспособления, материалы:

1. Чашки

2. Известь, гипс, цемент

3. Вода

4. Пластмассовая лопатка

Ход работы

1. Осмотреть образцы коллекции, прочитать надписи на этикетках и по возможности запомнить вещество по внешнему виду, цвету и состоянию.

2. Поместить образцы в чашки. Изучить образцы гипса, извести и цемента.

3. Путем сравнения материалов с образцами коллекции определить вид и наименование вяжущего, запомнить внешние признаки.

4. Изучить образцы материалов по внешним признакам, обратив внимание на цвет, состояние (твердое, сыпучее, жидкое), тонкость помола (на ощупь), запах и прочее.

5. От каждого вяжущего, подлежащего исследованию взять около 20 г, поместить в чашку и залить водой около 30 мл. После вскипания определить, какой из материалов гасится водой.

6.Результаты наблюдений записать в таблицу 1.

1.Гипс относится к:

□ Минеральным вяжущим

□ Органическим вяжущим

□ Синтетическим вяжущим

2.Марку портландцемента определяют по пределу прочности на …

□ изгиб

□ сжатие

□ растягивание

□ кручение

□ сдвиг

3.Назовите вяжущие, способные поглощать влагу из воздуха.

□ Глина

□ Портландцемент

□ Известь

□ Гипс

4.Какое вяжущие вещество при твердении увеличивается в объеме?

□ Глина

□ Портландцемент

□ Известь

□ Гипс

5.Назовите вяжущие вещества, которые можно применять без заполнителя?

□ Глина

□ Портландцемент

□ Известь

□ Гипс

Ответить на вопросы

1.Назовите недостатки гипсовых вяжущих.

2.На какие виды подразделяется негашеная известь в зависи­мости от времени её гашения?

3. Назовите основные виды цементов по их прочности при твердении. Укажите марки этих цементов.

4.Как изменяется объем портландцемента при воздушном твердении?

5.Почему известь называют гидравлической?