Твердение минеральных вяжущих

ТЕМА 4

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Минеральные вяжущие вещества представляют собой тонкомолотые порошкообразные материалы (за исключением жидкого стекла), которые при смешивании с водой образуют пластичную смесь, в результате физико-химических процессов переходящую в искусственный камень.

Основу производства минеральных вяжущих составляют следующие технологические переделы: добыча сырья, подбор и измельчение сырьевой смеси, термическая обработка и помол готового продукта.

На основе минеральных вяжущих получают бетоны и строительные растворы различного назначения, асбестоцементные изделия, красочные составы.

Применение минеральных вяжущих известно с древности. Примерно в IV в. до н. э. применяли искусственные способы изготовления таких вяжущих веществ, как гипс, известь, путем обжига соответствующих горных пород: природного гипса, известняка.

Основной недостаток – низкая водостойкость ограничивала возможности древних строителей, поэтому они не прекращали поиски новых вяжущих, которые бы обеспечивали не только большую прочность, но и водостойкость изделиям.

При строительстве морских сооружений в 1 в. н. э. в Древнем Риме было замечено, что если известь смешать с тонкомолотой обожженной глиной (бой кирпича и черепицы) или рыхлой вулканической породой – пуццоланой, то полученное на их основе изделие не только приобретает водостойкость, но и будет повышать свою прочность, находясь в воде. Такую известь с добавкой назвали гидравлической.

Русские строители называли это вяжущее «цементом» и широко использовали при строительстве Десятинной церкви в Киеве (990 г.), Софийского собора в Киеве (Х в.), стен Московского Кремля (конец XV в.), Петровских верфей (XVIII в).

Самым монументальным сооружением, построенным в Беларуси (XI в.) с использованием известкового вяжущего, является Софийский собор, Сохранились также Борисоглебовский храм, Евфросиньевский монастырь, Спасский собор (ХП в.) в г. Полоцке, исторические памятники в Несвиже (XVI в.) и другие сооружения.

Проводимые в разных странах многолетние научные исследования в этой области, в частности российскими академиками Севергиным и Шарлевилем, привели к созданию нового вида водостойкого минерального вяжущего – цемента. В 1825 г. русский военный техник Е. Челиев издает книгу с описанием технологии получения цемента путем обжига до спекания смеси извести и глины, с последующим помолом спекшегося продукта.

Одновременно цемент был изобретен и запатентован англичанином Аспидом, который назвал его «портландцементом» по сходству свойств в затвердевшем состоянии с известным природным строительным камнем, добываемым окологорода Портленд.

До настоящего времени эту технологию производства совершенствуют ученые разных стран. Большой вклад в эту работу внесли академик А.Р. Шуляченко, Н.Н. Ляман, Д.И. Менделеев, А.А. Байков, В.А. Кинд, В.Н. Юнг, И.А. Торопов  и др.

В 1839 г. в России был пущен в действие первый завод по производству портландцемента в Петербурге.

В 60-х и последующих годах XIX в. построены заводы в Риге, Новороссийске, Брянске и других городах. Ко времени первой мировой войны в России насчитывалось 60 цементных заводов с годовой производительностью около 1,6 млн. т. цемента. Одновременно сооружались многочисленные предприятия по производству известковых и гипсовых вяжущих.

Цементная промышленность Беларуси представлена тремя крупными заводами: ОАО «Красносельскцемент», Кричевский цементный завод и цементный завод в г. Костюковичи, работающими на местном мергелистом сырье.

Наличие в республике залежей ангидрита, доломита, мела и известняков обеспечивает сырьем заводы по производству гипса, извести.

Крупнейшими из них являются Березовский комбинат в Брестской области, гипсовый завод в г. Минске.

На основе кварцевых песков на стеклозаводе «Залесье» Вилейского района выпускают силикат глыбу – промежуточный продукт для получения жидкого стекла.

 

Твердение минеральных вяжущих

 

В настоящее время твердение минеральных вяжущих рассматривают как сложный физико-химический процесс в системе «вяжущее – вода», заключающийся в преобразовании исходных компонентов, составляющих вяжущую систему,в смесь новых минералов, из которых слагается искусственный камень.

Сущность теории твердения минеральных вяжущих обычно выражается следующей последовательностью процессов: растворение – коллоидация – кристаллизация, которая сохраняется только на начальной стадии взаимодействия, а затем все три протекают одновременно, налагаясь один на другой, дополняясь специфическими особенностями, свойственными конкретному вяжущему.

Р астворение. Любое вещество в большей или меньшей степени растворяется в воде и, находясь в ней, стремится создать свой насыщенный раствор. Минералы, из которых состоят вяжущие, обладают химической активностью по отношению к воде, поэтому они не просто растворяются, а вступают с водой в реакцию гидратации с образованием новых соединений, включающих в свой состав кристаллизационную воду (кристаллогидраты).

Этот процесс протекает до тех пор, пока вся вода не превратится в насыщенный раствор по отношению к новым кристаллогидратам.

Коллоидация характеризуется загустеванием, повышением вязкости смеси в связи с тем, что часть воды, обеспечивающая пластичность, участвует в химической реакции с вяжущим, а другая адсорбируется на поверхности зерен вяжущего.

Растворение затормаживается и вокруг каждого зерна образуется студнеобразная, клейковидная масса - гель, обладающая склеивающей способностью, которая тем выше, чем меньше содержится воды. Так как процесс взаимодействия вяжущего с водой продолжается, то постепенно раствор из насыщенного переходит в пересыщенный и из него начинают выкристаллизовываться мельчайшие кристаллы новообразований.

Твердение переходит в третий заключительный этап– кристаллизацию, при котором мелкие кристаллы укрупняются, срастаются между собой, образуя жесткую структуру, и весь материал приобретает прочность камня.

Скорость твердения в большей степени зависит от растворимости веществ, составляющих вяжущее, и растворимости образующихся в результате реакции с водой соединений.

Если растворимость составляющих вяжущее минералов велика, а образующихся соединений мала, то загустевание-схватывание и твердение могут завершиться быстро, в течение минут, часов.

Если же растворимость исходных мала, то формирование искусственного камня может продолжаться месяцы и даже годы.

Следовательно, ускоряя растворимость вяжущего путем повышения температуры, применения специальных добавок и другими методами можно регулировать скорость образования искусственного камня.

В практике заводского изготовления изделий и крупноразмерных конструкций из бетона и железобетона для ускорения набора прочности применяют специальные камеры тепловлажностной обработки с температурой 70 – 90 °С и автоклавы, работающие в условиях избыточного давления и высокой до 200 °С температуры.

Твердение можно также ускорить, затворяя вяжущее не чистой водой, а раствором некоторых солей, которые за счет повышения ионной силы ускоряют растворение вяжущих.

Так как скорость получения искусственного камня зависит также от времени выпадения из перенасыщенного раствора первых кристаллов образующихся гидратных соединений, то, следовательно, введя их искусственным путем в смесь «вяжущее – вода» можно ускорить процесс схватывания и твердения.

Большую роль в скорости формирования искусственного камня играет соотношение между количеством воды и вяжущего, которое называют водовяжущим (В/В: В/Ц, В/Г) или в общем случае водотвердым (В/Т).

Чем больше воды, тем больше времени необходимо для получения насыщенного и перенасыщенного раствора, из которого начнется кристаллообразование, следовательно, тем медленнее будут протекать процессы твердения. Таким образом, снижаяВ/В,мы тем самым ускоряем набор прочности.

Так как все минеральные вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, следовательно, размер частицтоже будет влиять на скорость процесса твердения. Чем мельче частицы, тем площадь соприкосновения с водой в единице объема больше, реакции идут полнее и процесс взаимодействия ускоряется.

Последнее, за счет чего можно ускорить реакции, – это целенаправленный подбор составасамого вяжущего. Все рассмотренные способы ускорения набора прочности искусственным камнем используют при возведении зданий и сооружений из бетона, получения изделий различного назначения на основе минеральных вяжущих.

По условию твердения минеральные вяжущие подразделяют на воздушные, гидравлические и вяжущие системы автоклавного твердения.

К вяжущим воздушного твердения относят такие простые по составу вещества, как известковые, низко- и высокообжиговые гипсовые, магнезиальные и жидкое стекло.

Гидравлические вяжущие состоят из минералов сложного состава, образующих в результате взаимодействия с водой прочный водостойкий искусственный камень.

К гидравлическим вяжущим принадлежат: гидравлическая известь, романцемент, разновидности портландцемента и специальные виды цементов.

 

Рис. 8.2. Зависимость марки вяжущего вещества (кривая а) от гидравлического модуля и температуры обжига (кривая б): 1, Г — воздушная известь; 2, 2' — гидравлическая известь; 3, 3' романцемент; 4, 4' — портландцемент

 

 

В научно-технической литературе принята классификация минеральных вяжущих веществ (воздушного, гидравлического твердения и т.д.), исходя из характеристики среды твердения (СТ).

Классификация по способу (химическому механизму) их микро(нано)структурообразования отсутствует.

Вяжущие вещества (ВВ) – моно- или полиминеральные порошки с некоторой критической дисперсностью, обладающие химической активностью только в определенной СТ.

Полиминеральные ВВ допустимо рассматривать как сухие строительные смеси (например, портландцемент - сухая строительная смесь, состоящая из молотых клинкера и гипсосодержащего компонента).

В общем случае среда СТ - совокупность среды затворения (СЗ) вяжущего вещества, газовой среды над свободной поверхностью ФС (например, атмосферный воздух), а также определенных условий твердения (наличие устройства для осуществления твердения, определенный уровень или режим изменения Р, Т, W).

Среда затворения может быть представлена, например, водой, раствором кислоты, щелочи, соли, эмульсией, а ТВО или сушка сырца ячеистого бетона могут производиться в различных устройствах – элементах СТ.

      В производстве бетонов и растворов имеет значение не вид примененного ВВ, а разновидность вяжущей системы в составе формовочной смеси (ФС).

Вяжущие системы (ВС) строительного назначения – как правило гомогенные (в техническом смысле) дисперсные системы, включающие ВВ и элементы СТ (например: цемент+вода; известь+вода+углекислый газ; каустический магнезит+хлорид магния+вода и т.п.).

Вяжущие системы способны приобретать камневидное состояние в результате протекания химической реакции между ВВ и элементами СТ. Возможность и скорость твердения ВС определяются параметрами, характеризующими элементы СТ.

Отсюда следует, что ВВ не всегда проявляют вяжущие свойства (например, цемент не твердеет в органических СЗ).

Качественные строительные изделия получают как правило из ФС. Формовочные смеси – гетерогенные дисперсные системы на основе ВС. В отличие от ВС формовочные смеси содержат дополнительно за(на)полнители и как правило – добавки, растворимые в СЗ.

Вследствие схватывания и твердения ВС, ФС способны приобретать камневидное состояние и превращаться в искусственные композиционные материалы строительного назначения (КМСН) с различным уровнем R, U, М, твердости, общей пористости (П) и других физико-технических свойств.

Может быть предложена следующая классификация ВС:

тип 1 - синтетические на основе неорганического сырья:

тип 1-1 - синтетические ВС, твердеющие по схеме химического синтеза новообразований за счет реакции химического взаимодействия между ВВ и СЗ как в естественных (например, каустический магнезит+хлорид магния+вода), так и в других условиях;

тип 1-2 - синтетические ВС, твердеющие по схеме химического синтеза новообразований за счет реакции химического взаимодействия между ВВ и газами СТ как в естественных (например, известь+вода+углекислый газ), так и в других условиях;

тип 1-3 - синтетические ВС, твердеющие по схеме химического синтеза новообразований за счет реакции химического взаимодействия между компонентами ВС (например, кремнеземистый материал+кальциевая известь+вода) только при параметрах СТ, отличных от естественных условий (например, при повышенной Т, создаваемой в химическом реакторе или с помощью другого устройства);

тип 2 – гидратационные ВС на основе ВВ и твердеющие по схеме гидратации только в естественных условиях (например, гипсовое вяжущее+вода);

тип 3 – гидратационные ВС на основе ВВ и твердеющие по схеме гидратации как в естественных условиях, так и при других параметрах среды твердения (например, портландцемент+вода);

тип 4 – полимерные;

тип 5 – смешанные (гидратационно-синтетические (например, цемент+известь+вода) ВС; гидратационно-полимерные ВС и т.п.).

Бетонная смесь – частный случай ФС.

Бетон – искусственный необжиговый твердый КМСН, содержащий матрицу в виде затвердевшей вяжущей системы и за(на)полнители различного функционального назначения.