5.1 Повітряні в'яжучі матеріали

В'яжучими речовинами називають такі, що здатні за певних умов під впливом фізико-хімічних процесів переходити з порошкоподібного, пластичного-грузлого або рідкого стану в твердий або малопластичний. Мінеральні в'яжучі речовини - порошкоподібні тонкодисперсні речовини, що утворюють при замішуванні з водою або деякими водяними розчинами пластичну масу, яка під впливом фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібне тіло. Таку їх властивість використають для одержання безвипалювальних штучних кам'яних матеріалів і виробів, розчинних і бетонних сумішей, що клеють, і барвистих сполук.

Мінеральні в'яжучі залежно від складу, найважливіших властивостей  і здатності твердіти в різних умовах підрозділяють на дві групи:

- повітряні;

- гідравлічні.

Повітряні в'яжучі після замішування здатні твердіти і довгостроково зберігати свою міцність тільки в повітрі. До цієї групи належать гіпс, ангідрит, магнезіальні в'яжучі, повітряне вапно. До повітряних в'яжучих також відносять виділені в самостійну групу кислотостійкі (кислототривкі) цементи, які після затвердіння на повітрі можуть тривалий час опиратися агресивному впливу кислот. Такі в'яжучі, що замішують на водяному розчині силікату натрію (розчинного скла), застосовують для кислототривких покриттів.

Гідравлічні в'яжучі після замішування і попереднього твердіння в повітряно-вологому середовищі продовжують зберігати й нарощувати свою міцність у воді. До цієї групи належать гідравлічне вапно й різні цементи (портландцемент і його різновиди, пуцоланові, шлакові, глиноземистий, що розширюється, романцемент та ін.). Ці матеріали можна застосовувати як у надземних, підземних, так і в підводних будівельних конструкціях.

Повітряні в'яжучі підрозділяють залежно від умов термічної обробки при одержанні, строків (швидкості) тужавлення і твердіння на такі види:

- низьковипалювальні (швидкотужавіючі й швидкотверднучі) - гіпс будівельний, формувальний звичайний і високоміцний;

-  високовипалювальні (повільнотужавіючі й повільнотверднучі) - ангідритовий цемент й естріх-гіпс.

Крім гіпсових й ангідритових до повітряних в'яжучих належать магнезіальні в'яжучі: каустичний магнезит і каустичний доломіт, а також кислототривкі цементи й будівельне повітряне вапно.

Будівельне повітряне вапно

Будівельне вапно одержують шляхом випалу кальцієво-магнієвих гірських порід - крейди, вапняку доломітизованих і мергелістих вапняків, доломітів і мергелястої крейди до повного видалення вуглекислоти. Тонкомелене будівельне вапно одержують гасінням водою й розмелом негашеного вапна, у процесі чого можна додавати до його складу мінеральні тонкомелені добавки.

Застосовують будівельне вапно для приготування будівельних розчинів і бетонів, як в'яжучу речовину при виробництві штучних каменів, блоків і будівельних деталей. Якість будівельного вапна повинна відповідати вимогам ДСТУ 9179-70.

Залежно від умов твердіння будівельне вапно розділяють на повітряне, що забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і збереження ними міцності в повітряно-сухих умовах, і на гідравлічне, наявність якого в розчинах і бетонах забезпечує твердіння й збереження міцності як на повітрі, так й у воді. Повітряне вапно за видом основного оксиду, що міститься в ньому, поділяють на кальцієве, магнезіальне й доломітове.

Будівельне повітряне вапно одержують із кальцієво-магнієвих гірських порід, причому вміст глинистих домішок не повинен складати більше 6 %. Технологічний процес одержання вапна складається з видобутку вапняку в кар'єрах, його підготовки (дроблення й сортування) і випалу. Після випалу грудкове вапно подрібнюють, одержуючи мелене негашене вапно. При гасінні його водою одержують гашене вапно. Випал вапна відбувається за реакцією:

СаСО3 + 180 кДж = СаО + СО2↑,                                (5.1.1)

на розкладання 1 моля СаСО3 потрібно 180 кДж тепла.

У заводських умовах температура випалу вапняку звичайно становить 1000- 1200°С. При випалі з вапняку виділяється вуглекислий газ, що становить до 44 % його маси; об'єм продукту зменшується всього до 10 %, тому шматки грудкового вапна мають пористу структуру. Обпалюють вапняк у різних печах: шахтних (рис. 5.1.1), обертових і в киплячому шарі; використають також установки для випалу вапняку у завислому стані.

Рис. 5.1.1 - Шахтна піч для випалу вапна:

1 - завантажувальний механізм; 2 - зона підігріву; 3 - зона випалу; 4 - зона охолодження; 5 - розвантажувальний механізм.

Гашене вапно. Повітряне вапно на відміну від інших в'яжучих речовин може перетворюватися в порошок не тільки при помелі, але й при гасінні (дією води на шматки грудкового вапна). Цей процес протікає за реакцією:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 +  65,5 кДж ↑.                              (5.1.2)

Залежно від швидкості гасіння всі сорти повітряного негашеного вапна підрозділяють на три види:

- швидкозагашуване (до 8 хв);

- середнезагашуване (до 25 хв);

- повільнозагашуване (більше 25 хв).

Для одержання пухкого порошку вапно гасять у спеціальних машинах - гідраторах. При гасінні вапна з отриманням вапняного тіста грудкове вапно закладають у вапногасник, в якому воно розмелюється, перемішується з водою до утворення вапняного молока й зливається в сепаратор-відстійник. Після відстоювання молока утворює вапняне тісто. Не можна застосовувати вапняне тісто з більшим вмістом непогашених повністю зерен вапна, бо при гасінні їх у кладці може розтріскатися вапняний розчин.

Донедавна повітряне вапно застосовували в будівництві тільки в гашеному вигляді. В 1930-х роках І.В. Смирнов запропонував застосовувати вапно в тонкомеленому негашеному вигляді. Він показав, що за певних умов можливе твердіння вапна при взаємодії з водою з утворенням гідрату оксиду кальцію. Мелене негашене вапно має ряд переваг перед гідратним вапном при використанні його в розчинах або бетонах у вигляді порошку або тіста. Для приготування розчинів і бетонів використовується все тонкомелене вапно, включаючи відходи у вигляді зерен, що не погасилися. При гідратному твердінні меленого негашеного вапна виділяється значна кількість тепла, що прискорює процеси твердіння. Таке вапно характеризується меншою водопотребою, ніж гашене. Питома поверхня його значно менша, ніж у гідратного вапна, необхідну легкоукладальність бетонної або розчинної суміші одержують при зниженій витраті води. Зниження ж водопотреби бетонних і розчинних сумішей збільшує міцність виробів. Крім того, негашене вапно, гідратуючи у розчинах і бетонах, зв'язує велику кількість води й переходить у тверду фазу. Вироби з негашеного вапна мають підвищену щільність, міцність, водостійкість і довговічність у порівнянні з отриманими на гашеному вапні.

Для прискорення твердіння розчинних і бетонних сумішей на меленому негашеному вапні до їх складу вводять соляну кислоту, хлористий кальцій, а також зменшують водо-вапняне відношення. Для сповільнення його твердіння в початковий період тужавіння додають гіпс, сульфат натрію, сульфітно-дріжджову барду або збільшують водо-вапняне відношення й подовжують строки перемішування сумішей. Добавки гіпсу й хлористого кальцію, крім того, підвищують міцність розчинів і бетонів, а сповільнювачі твердіння попереджають утворення тріщин.

Одержують мелене вапно найчастіше в кульових млинах. Звичайно заводи випускають вапно, що характеризується залишком 2-7 % на ситі № 008, що приблизно відповідає питомій поверхні 3500-5000 см2/г. Будівельне повітряне негашене вапно ділять на три сорти: I, II й III. Для виробів автоклавного твердіння можливий помел вапна разом із кварцовим піском.

Твердіння вапна. Залежно від виду вапна, а також умов, в яких протікає процес твердіння, розрізняють три види твердіння: карбонатне, гідратне й гідросилікатне.

Карбонатне твердіння вапняних розчинів і бетонів на гашеному вапні при звичайних температурах складається з двох процесів, що протікають одночасно: випар механічно домішаної води й поступова кристалізація гідрооксиду кальцію з насиченого водяного розчину й утворення карбонату кальцію:

Са(ОН)2 + СО2 + n Н2 О = СаСО3 + (n+ 1)Н2О.                      (5.1.3)

Чисте вапняне тісто внаслідок сильної усадки при висиханні розтріскується. Для усунення цього недоліку до тіста додають від 3 до 5 частин піску (за об'ємом).

Міцність розчинів на гашеному вапні невисока. Так, при твердінні розчинів протягом 1 місяця у звичайних умовах міцність при стиску становить 0,5-1 МПа, а у віці декількох десятків років - 5-7 МПа (70 кг/см2).

Штучна карбонізація бетонів і розчинів може підвищити міцність. Особливо ефективні бетони на меленому негашеному вапні, а також з добавкою меласи до 0,2 % від маси вапна, що сприяє прискоренню процесу карбонізації й збільшенню міцності.

Гідратним твердінням називають процес поступового перетворення у тверде каменеподібне тіло вапняних розчинів і бетонних сумішей на меленому негашеному вапні в результаті взаємодії вапна з водою й утворення гідрату окису кальцію. При замішуванні водою меленого негашеного вапна відбувається твердіння, характерне й для інших в'яжучих речовин, що виражається в гідратації окису кальцію і наступної колоїдації й кристалізації продукту гідратації. Для процесу твердіння при звичайних температурах мають також значення випар вільної води при висиханні й природна карбонізація. Умовами, що сприяють гідратному твердінню вапна, є швидкий і рівномірний відвід тепла, що виділяється при твердінні, використання форм, що не допускають збільшення об'єму маси, яка твердіє, і введення добавок, що сповільнюють процес гідратації. Для поліпшення умов гідратного твердіння вапно необхідно рівномірно обпалювати й можливо тонше подрібнювати.

Гідросилікатне твердіння характерно для теплової обробки виробів в автоклавах. Виготовлення виробів з вапняно-піщаних сумішей тривалий час не одержувало розвитку внаслідок того, що при звичайних температурах гасіння вапно твердіє дуже повільно, а вироби на його основі мають невелику міцність. Якщо ж вапняно-піщані силікатні вироби обробляти паром підвищеного тиску 0,8-1,6 МПа, що відповідає температурі 174,5 – 200 °С, то в автоклаві відбувається хімічна взаємодія між вапном і кремнеземом піску з утворенням гідросилікатів кальцію, що забезпечують високу міцність і довговічність виробів.

Твердіння вапняно-кремнеземистих матеріалів в умовах теплової обробки паром в автоклавах є наслідком ряду складних фізико-хімічних процесів, що проходять у три стадії: утворення кристалічних зародків гідросилікатів, деякий ріст кристалів і збільшення їхнього числа без зрощення; формування кристалічного зростка; руйнування (ослаблення) зростка внаслідок перекристалізації контактів між кристалами. У період гідротермальної обробки в результаті твердіння новотворів, кількість і склад яких безупинно міняються, міцність виробів підвищується.

Застосування, транспортування й зберігання вапна. Широке застосування повітряного вапна у будівництві обумовлене простотою його виробництва й тим, що воно є місцевим в'яжучим матеріалом. Вапняні розчини з вапна й піску застосовують для кам'яної кладки як з добавкою цементу, так і без нього. Змішані вапняно-цементні розчини відрізняються більшою пластичністю, ніж цементні, і більш високою міцністю, ніж вапняні. Вапняні розчини застосовують також для штукатурних робіт з добавкою інших в'яжучих і без них.

Вапно широко використовують для виробництва різних автоклавних будівельних матеріалів: щільних й ніздрюватих, армованих і неармованих. Їх випускають у вигляді панелей, блоків, цегли для зовнішніх і внутрішніх стін, панелей перекриттів, колон, площадок і маршів сходових  кліток, балок та інших виробів. На відміну від звичайних бетонних і залізобетонних виробів їх виготовляють без цементу й називають безцементними або силікатними бетонами. На основі вапна можна готувати шлаково-вапняно-зольні, вапняно-глиняні й вапняно-зольні матеріали. Будівельне повітряне вапно застосовують як компонент для одержання шлаково-вапняно-зольних й вапняно-пуцоланових цементів. Вапно в чистому вигляді або суміші з крейдою й барвниками використовують для побілок та інших опоряджувальних робіт.

Грудкове вапно транспортують навалом, захищаючи від зволоження й забруднення, мелене негашене й гашене вапно - у спеціальних паперових мішках або металевих закритих контейнерах, вапняне тісто - у пристосованих для цього кузовах самоскидів.

Негашене вапно необхідно зберігати в закритих складах, захищених від вологи. Мелене негашене вапно не слід зберігати більше 30 діб, тому що і при неправильному зберіганні воно поступово гаситься вологою повітря й втрачає активність.

Гіпсові в'яжучі речовини

Сировиною для виробництва гіпсових в'яжучих служать головним чином природний гіпсовий камінь СаSО4×2Н2О і ангідрит СаSО4.

Гіпсові в'яжучі речовини ділять на дві групи: низьковипалювальні і високовипалювальні. Низьковипалювальні в'яжучі одержують при нагріванні двоводного гіпсу СаSО4×2Н2О до температури 150—160 °С. При цьому відбувається часткова дегідратація двоводного гіпсу з переходом в напівгідрат сульфату кальцію - напівводний гіпс СаSО4×0,5Н2О. До низьковипалювальних в'яжучих належать будівельний і високоміцний гіпс (рис. 5.1.2, 5.1.3).

Рис. 5.1.2 - Схема виробництва будівельного гіпсу у варочних котлах

1 - мостовий грейферний кран; 2 - бункер гіпсового каменю; 3 - лотковий живильник; 4 - щековая дробарка; 5 - стрічкові конвеєри; 6 - бункер гіпсових щебенів; 7 - тарілчастий живильник; 8 - шахтний млин; 9 - здвоєний циклон; 10 - батарея циклонів; 11 - вентилятор; 12 - рукавні фільтри;  13 - пилоосадова камера;  14 - шнеки;  15 - бункер сирого меленого гіпсу;

16 - камера томління;  17 - гіпсоварочний котел;  18 - елеватор;  19 - бункер готового гіпсу;

20 - скребковий конвеєр

Рис. 5.1.3 - Схема виробництва будівельного гіпсу в сушильному барабані:

1 - бункер гіпсового каменю; 2 - лотковий живильник; 3 - стрічковий конвеєр; 4 - молоткова дробарка; 5 - елеватор; 6 - шнеки; 7 - бункер гіпсового щебеню; 8 - тарілчастий живильник; 9 - бункер вугілля; 10 - топлення; 11 - сушильний барабан; 12 - бункер обпалених щебеню; 13 - пилоосадна камера; 14 - вентилятор; 15 - бункер готового гіпсу; 16 - кульовий млин.

Високовипалювальні (ангідритові) в'яжучі одержують випалом двоводного гіпсу при більш високій температурі - до 700 - 900 °С. При цьому двоводний гіпс повністю втрачає хімічно зв'язану воду, в результаті чого утворюється безводний сульфат кальцію - ангідрит СаSО4. До високовипалювальних в'яжучих належать ангідритовий цемент і естріх-гіпс.

Будівельний гіпс - це повітряна в'яжуча речовина, що складається переважно з напівводного гіпсу, одержана шляхом обробки гіпсового каменю при температурі 150 – 160 °С. При цьому CaSO4·2H2O, що втримується в гіпсовому камені, дегідратується за реакцією:

CaSO4×2H2 O = CaSO4 ×0,5H2 O + 1,5H2 O.                      (5.1.4)

Якість будівельного гіпсу регламентується ДСТУ 125-70. У технологію будівельного гіпсу входять процеси дроблення, помелу й теплової обробки (дегідратації) гіпсового каменю. Теплову обробку гіпсового каменю можна вести у варочних котлах, сушильних барабанах, шахтних та інших млинах. Вибір апарата залежить від масштабів виробництва, сировини, необхідної якості готової продукції та ряду інших факторів.

Властивості будівельного гіпсу.

Тужавіння й твердіння будівельного гіпсу полягає в тому, що при змішуванні з водою утворюється пластичне тісто, яке згодом переходить у тверде  каменеподібне тіло з певною міцністю. Основна реакція, за якою проходить твердіння будівельного гіпсу, полягає в приєднанні води й утворенні двоводного сульфату кальцію:

СаSО4·0,5 Н2О + 1,5Н2О = СаSО4·2Н2О.                         (5.1.5)

На властивості гіпсу великий вплив мають кількість води замішування й тонкість помелу. При замішуванні гіпсу води завжди беруть більше, ніж це необхідно для хімічної реакції. Будівельний гіпс є швидкотужавіючою й швидкотверднучою в'яжучою речовиною: початок тужавіння настає не раніше 4 хв, а кінець - не пізніше 30 хв, але не раніше 6 хв з моменту замішування його з водою. Строки тужавіння гіпсу залежать від властивостей сировини, тривалості зберігання, кількості доданої води, температури самого гіпсу й води, наявності добавок тощо. Підвищення температури гіпсового тіста при його твердінні до 40-45 °С прискорює тужавіння, а вище цієї межі, навпаки, сповільнює.

Для вповільнення тужавіння гіпсу застосовують кератиновий клей  і вапняно-клейовий сповільнювачі, сульфітно-дріжджову барду в кількості 0,1-0,3 % від маси гіпсу.

Застосовують будівельний гіпс для виготовлення гіпсових і гіпсобетонних будівельних виробів для внутрішніх частин будинків: перегородкових плит, панелей, сухої штукатурки, для одержання гіпсових і змішаних розчинів, а також виготовлення декоративних й оздоблювальних матеріалів (наприклад, штучного мармуру).

Формувальний гіпс відрізняється від будівельного більш тонким помелом, більшою міцністю й сталістю властивостей. Одержують його з гіпсового каменю, що містить не менше 96 % СаSО4-2Н2О у варочних котлах при певній тривалості циклу й заданій температурі. Він складається в основному з b-напівгідрату. Тонкість помелу характеризується залишком на ситі № 02 не більше 2,5 %. Початок тужавіння - не раніше 5 хв, кінець - не раніше 10 хв і не пізніше 25 хв. Межа міцності при розтяганні через 1 добу повинна бути не менше 1,4 МПа, а через 7 діб - не менше 2,5 МПа.

Формувальний гіпс застосовують для виготовлення декоративної ліпнини, форм, моделей і виробів у будівельній, керамічній, машинобудівній та інших галузях промисловості.

Ангідритовий цемент –одержують випалом природного гіпсу і наступним тонким подрібнюванням з добавками, що є каталізаторами твердіння, а також помелом природного ангідриту (мінералу класу сульфатів) з тими ж добавками. За міцностю на стиск розрізняють марки ангідритового цементу: 50, 100, 150 й 200. Застосовують такі в’яжучі для приготування штукатурних і кладочних розчинів, бетонів, штучного мармуру, у виробництві теплоізоляційних і оздоблювальних матеріалів.

Естріх-гіпс (високо випалювальний гіпс) – різновид ангідритових цементів. Матеріали з естріх-гіпсу відрізняються підвищеною водостійкістю й морозостійкістю, малою теплопровідністю, вони менш схильні до пластичних деформацій. Найпоширеніші області застосування естріх-гіпсу - штукатурні й декоративні розчини, штучний мармур, для влаштування мозаїчних підлог та ін.

Ангідритовий цемент й естріх-гіпс звичайно поєднують єдиним терміном - ангідритові в'яжучі, рідше (і менш правомірно) їх відносять до гіпсових в'яжучих. Застосування: електроізоляція, стінові блоки, гіпсобетони та ін.

Магнезіальні в'яжучі

До магнезіальних в'яжучих належать каустичні магнезит і доломит - повітряні в'яжучі, які замішують водяними розчинами солей хлористого або сірчано-кислого магнію: частіше застосовують розчин хлористого магнію, що забезпечує більшу міцність матеріалів.

Каустичний магнезит одержують випалом природного магнезиту (мінера класу карбонатів) і наступним тонким подрібнюванням. Тужавлення цього в'яжучого з моменту замішування: початок - не раніше 20 хв, кінець - не пізніше 6 год. Марки каустичного магнезиту (за межею міцності при стиску): 400, 500, 600. У зв'язку з тим, що каустичний магнезит легко поглинає з повітря вуглекислоту й вологу й вступає з ними в хімічну взаємодію, зберігати його необхідно в герметичному впакуванні.

Каустичний доломіт одержують термообробкою природного доломіту (мінералу того ж класу, що й магнезит) з наступним тонким подрібнюванням продукту випалу. За рахунок вмісту вуглекислого кальцію якість його нижча, ніж каустичного магнезиту; марки 100-300. Застосовують магнезіальні в'яжучі для виробництва теплоізоляційних матеріалів (фіброліту, ксилоліту та ін.), плит для підлог (з тирсою як наповнювач) і основи під рулонні й плиткові покриття, для виготовлення оздоблювальних матеріалів, скульптурі та ін.

Кислотостійкий цемент

Це кварцево-кремнефтористий цемент, що є сумішшю тонкомеленого кварцового піску й кремнефтористого натрію. Замішують цемент рідким склом, водяним розчином силікату натрію або силікату кальцію. Мікро-наповнювачами в такому цементі є хімічно стійкі породи - кварцит, діабаз, андезит та ін. Кремнефтористий натрій є прискорювачем твердіння, підвищує кислото- і водостійкість матеріалів на основі кварцового кремнефтористого цементу.

Кислотостійкий цемент застосовують для виготовлення розчинів, бетонів і оздоблювальних матеріалів, які експлуатуються в умовах дії сильних кислот (сірчаної, соляної, азотної та ін.). Без спеціальних добавок він неводостійкий, його не можна застосовувати в середовищах, що містять фтористоводородну, кремнефтористу, вищі жирні кислоти й луги. Матеріали й вироби на кислотостійкому цементі руйнуються при дії водяної пари. За фізико-механічними властивостями вони наближаються до матеріалів на клінкерних цементах. Водостійкість матеріалів підвищують ущільненням, обробкою поверхні спеціальними розчинами, термообробкою, неорганічними добавками і такими, що полімерізуються. Введенням до складу цементу гідрофобізуючих добавок одержують кислототривкий водостійкий цемент (КВЦ). Застосування останнього не допускається при будівництві й ремонті житлових будинків і підприємств харчової промисловості.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я