2015-08-21
1503
Керамос (греч.) – глина. Керамика – это материал, получаемый из глиняных масс путём их формования с последующей сушкой и обжигом.
Классификация керамики по назначению
1. Тонкая керамика (вся посуда, фарфор);
2. Строительная керамика;
3. Кислотоупорная керамика;
4. Огнеупорная керамика;
5. Керамика специального назначения (используется в авиации, электронике, космосе).
Строительная керамика
Строительная керамика классифицируется на следующие виды керамических материалов:
1. Стеновая керамика (кирпич керамический, блоки керамические, керамические камни);
2. Керамика специального назначения (огнеупорный кирпич, кислотоупорный кирпич, дорожные плиты, лекальный кирпич);
3. Отделочная керамика (плитки и т. д.);
4. Санитарно-техническая керамика (ванны, раковины, трубы керамические);
5. Прочная керамика (кровельная керамика, заполнитель для бетона (керамзит), черепица).
В зависимости от пористости черепка керамика бывает:
1. Плотная – пористость менее 5% (плитка керамическая, санитарно-техническая керамика, трубы и т.д.);
2. Пористая – пористость более 5% (кирпич, огнеупорная керамика).
Сырьё для производства керамики
Глина – мелкообломочная осадочная горная порода, пластинчатого (чешуйчатого) строения с размером пластин менее 0,005 мм, которая при смешивании с водой способна образовывать пластичное тесто, сохраняющее свою форму после сушки и обжига.
Сырьём для производства керамических материалов служат разные водные алюмосиликаты.
Наибольшее применение имеет каолинит – водный алюмосиликат следующего состава: 
. Если каолинит не содержит оксидов железа, то имеет белый цвет. Истинная плотность около 2200 кг/м3. Состоит из гексагональных чешуек (пластинок).
Также используются монтмориллонитовые глины, слюды и гидрослюды, алит.
Чистые глины встречаются достаточно редко. Часто в глинах присутствуют примеси, придающие изделию различные свойства.
Примеси:
1. Органические – способствуют образованию пористости и снижают плотность;
2. Примесь железа (в основном в виде оксида) – придаёт цвет от розового до тёмно-бурого. Содержание 
снижает температуру обжига;
3. Песчаные примеси – уменьшают пластичность, огнеупорность, воздушную усадку глин;
4. Гипс (карбонат кальция 
) – снижает прочность керамических изделий;
5. Оксид натрия (
, оксид калия (
) – повышают прочность готовых изделий.
Свойства глин
1. Гранулометрический состав глин – содержание в глинах частиц различных размеров (фракций):
а) Истинно-глинистые частицы имеют форму пластин и размер менее 0,005 мм;
б) Пылеватые частицы имеют размер от 0,005 до 0,16 мм;
в) Песчаные частицы имеют размер от 0,16 до 5 мм.
2. Пластичность глин – способность глин при смешивании
с водой и воздействии внешних сил образовывать пластичное тесто. Характеризуется числом пластичности 
, определяемым
в %. Число пластичности – это разность между влажностью глин в % между пределом текучести и пределом раскатывания глины
в жгут.
В зависимости от пластичности глины делятся:
а) Высокопластичные (
);
б) Среднепластичные (
);
в) Малопластичные глины (
);
г) Непластичные (
).
На пластичность влияют: гранулометрический состав и содержание примесей.
Повысить пластичность можно 2мя способами:
а) Механическое разминание;
б) Добавление пластифицирующих добавок.
3. Воздушная усадка – способность глин уменьшать свои объёмные и линейные размеры при высыхании (составляет примерно 15–20%). Воздушная усадка является негативным свойством; снизить её можно добавлением отощающих добавок;
4. Огневая усадка связана с расплавлением легкоплавких составляющих глин и сближением тугоплавких частиц. Огневая усадка составляет 2–8%;
5. Огнеупорность – способность глин выдерживать высокие температуры:
а) Огнеупорные (выдерживают > 1580 °C);
б) Тугоплавкие (от 1350 до 1580 °C);
в) Легкоплавкие (менее 1350 °C).
На огнеупорность влияют:
а) Гранулометрический состав (чем больше истинно-глинистых частиц, тем выше огнеупорность);
б) Пластичность (чем выше пластичность, тем выше огнеупорность);
в) Содержание примесей (чем больше примесей, тем меньше огнеупорность).
Добавки, применяемые в керамической технологии
Для придания глинам и готовым изделиям определённых свойств применяются различные добавки.
Технологические добавки делятся на 5 групп:
1. Отощающие добавки – уменьшают пористость глин, при этом снижают пластичность и уменьшают воздушную усадку:
а) Мелкий керамический бой;
б) Мелкий песок;
в) Шлаки и т.д.
Частица добавки попадает между частицами глины и не позволяет им сближаться;
2. Выгорающие добавки – для повышения пористости и уменьшения средней плотности; чаще всего это органические вещества, которые при сгорании, выделяют углекислый газ, образуя тем самым поры в сырце:
а) Тонкоизмельчённый уголь;
б) Тонкоизмельчённый торф;
в) Мелкие опилки;
г) Древесная кора и т. д.;
3. Плавни – это вещества, которые снижают температуру спекания глины: минералы содержащие оксид железа, например, полевые шпаты;
4. Пластифицирующие добавки – повышают пластичность глин:
а) ПАВ и ПАД;
б) СДБ – сульфитно-дрожжевая бражка;
5. Специальные:
а) Песчаная смесь, затворённая жидким стеклом – повышает кислотостойкость;
б) Добавки оксидов металлов для цветной керамики.
Технология изготовления керамических изделий
Этапы технологии изготовления керамических изделий:
1. Подготовка исходных сырьевых компонентов: дробление, сортировка, очистка, сепарация (магнитная, ситовая), промывка;
2. Измельчение сырьевых компонентов: дробление и помол;
3. Приготовление шихты. Шихта – смесь заданного, отдозированного состава.
4. Придание шихте требуемой технологической вязкости (осуществляется при помощи технологической связки с применением воды или органической жидкости);
5. Формование изделия:
а) Формование из сухих порошковых масс. При этом применяют очень высокое давление. Изделия получаются плотные
с минимальным содержанием пор;
б) Формование из пластичных масс (кирпич, плитка, огнеупорная керамика);
в) Литьё из текучих масс (посуда и т. д.).
6. Сушка изделий (оптимально 
, но обычно при 
);
7. Обжиг при 
. В результате образуется вещество муллит: 
.
Свойства кирпича глиняного обыкновенного
Кирпич керамический обыкновенный получается из глин средней пластичности методом пластического формования при температуре обжига 
.
Кирпич должен соответствовать ГОСТу 530–95.
1. Размеры: 250x120x65;
2. Истинная плотность: 
;
3. Средняя плотность: 
;
4. Марки по прочности: М75; М100; М125; М150; М200; М250; М300;
5. Марки по морозостойкости: F15; F25; F35; F50;
6. Водопоглощение не менее 8%;
7. Не допускается недожог и пережог кирпича.
Стекло и стеклянные изделия
Ломоносов – родоначальник стекловарения в России.
Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путём переохлаждения их расплавов и обладающие механическими свойствами твёрдых тел.
Признаки стеклообразного вещества
1. Все стеклообразные вещества не имеют чётко выраженной точки плавления: при нагревании стекла происходит его постепенное размягчение и переход в жидкое состояние; при охлаждении вязкость стекла увеличивается и оно переходит в твёрдое состояние;
2. Стекловидное вещество не имеет упорядочённой структуры во всём объёме, имеет только упорядоченные группы (кристаллиты) – это ближний порядок структуры стекла;
3. Изотропность – все свойства стекол одинаковы во всех направлениях, т. к. отсутствует дальний порядок;
4. Все стёкла являются термодинамически неустойчивыми веществами, т. к. стекло обладает большим количеством внутренней энергии. Поэтому в стёклах происходят изменения.
Стеклообразующие оксиды
Отметим, что стекло не является веществом с определённым химическим составом.
В состав стекол входят различные оксиды. Простые стекла имеют в своем составе 1─2 или 3 оксида, более сложные ─ до 10 различных оксидов. Оксиды, которые образуют стекла самостоятельно, без присутствия других оксидов называются стеклообразующие оксиды.
1. 
– оксид кремния ─ силикатное стекло (тарное стекло, оконное, полированное и т.д.);
2. 
– оксид фосфора ─ является основным в фосфатных стёклах (оптические, электротехнические, вакуумные и т.д.);
3. 
– оксид бора ─ боратные стёкла (реакторное стекло, рентгенозащитное стекло и т.д.).
Но для производства стекла сырьевой массой является многокомпонентная шихта, содержащая помимо основных оксидов различные добавки.
Сырьё для производства стекла
1. Основное сырьё;
2. Вспомогательное сырьё.
Основное сырьё – минеральное сырьё и продукты промышленности, которые являются поставщиком основного стеклообразующего оксида (кварцевый песок, доломит, сода, известняк, борная кислота, фосфорная кислота, соли фосфорной кислоты и т.д.). Минеральное сырьё имеет большое количество разных примесей, что приходится учитывать при составлении рецепта стекла.
Вспомогательное сырьё вводится в шихту для ускорения варки стекла и придания ему заданных свойств:
а) Глушители вводятся для непрозрачности стекла (плавиковый шпат или любые фтор содержащие соли);
б) Осветлители применяют для удаления из стекла газовых пузырьков (сульфаты натрия и алюминия, калиевая селитра);
в) Красители (кобальт (
) – синее стекло; хром – зелёное; марганец (
) – фиолетовое; оксид железа () – красное).
Производство стекла
Производство стекла включает в себя следующие этапы:
1. Подготовка сырьевых материалов: дробление и помол, сушка, просеивание;
2. Приготовление шихты: усреднение, дозирование и смешивание компонентов;
3. Варка стекла (производится в специальных стеклоплавильных печах непрерывного (ванна) или периодического (горшковая печь) действия).
При варке выделяют следующие этапы:
1. силикатообразование (t = 1100─1150 ºС);
2. процесс стеклообразования (t ≈ 1500 ºС);
3. процесс осветления (удаление пузырьков воздуха и цветности стекла) (t = 1500─1600 ºС);
4. процесс гомогенизации;
5. процесс студки (т.е охлаждение стекловидной массы до температуры выработки);
4. Формование стеклянных изделий, которое возможно следующими способами:
а) вытягивание (формирование) листового стекла (лодочный и безлодочный способы);
б) прокатка листового стекла;
в) литьё;
г) прессование стеклянных изделий с помощью различных прессов с формами;
д) выдувание;
е) центробежное формование;
5. Отжиг стекла – нагревание до определённой температуры, выдерживание при этой температуре, затем охлаждение (для снятия внутренних напряжений, которые могут произвести самопроизвольное разрушение);
6. Закалка стекла – доведение стекла до пластического состояния, затем резкое охлаждение (для повышения прочности);
7. Заключительная обработка: шлифование, полировка, декоративная обработка.
Свойства стекла
1. Плотность обычного силикатного (строительного) стекла: 
. В зависимости от содержания добавок, стекла специального назначения (свинцовые) могут иметь плотность до 
;
2. Твёрдость: 5–7 единиц по шкале Мооса (мягкие – свинцовые);
3. Прочность при сжатии 1000 МПа (как у стали), прочность при изгибе в 10 раз меньше;
4. Хрупкость (у стекла отсутствуют пластические деформации);
5. Оптические свойства стекла: обычные силикатные стёкла пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, коэффициент светопропускания 0,8─0,9;
6. Звукоизолирующая способность стекла очень высока: по этому показателю стекло, толщиной в 1 см, равно кирпичной кладке в пол кирпича (12 см);
7. Теплопроводность стекла равна теплопровдности воды;
8. Термостойкость ─ перепад температур от 80 до 1000 ºС для чистого кварцевого стекла;
9. Коррозионная или химическая стойкость стекла: стекло обладает высокой коррозионный стойкостью, на него не действуют не кислоты, не щелочи, не соли, стекло разрушается только в 2х кислотах – плавиковой и фосфорной, однако при повышенном содержании в стекле оксидов калия и натрия водостойкость снижается.
Ситаллы
Ситаллы – это стеклокристаллические материалы, полученные из стеклянных расплавов путём их полной или частичной кристаллизации. Чаще всего ситаллы не обладают прозрачностью, но имеют высокую динамическую прочность.
Технология производства ситаллов
Технология производства ситаллов не отличается от технологии производства стекла, добавляется лишь дополнительная термическая обработка в присутствии катализатора. В итоге ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, не имеют его недостатков: хрупкости, малой прочности при изгибе, малой термостойкости.
Материалы, используемые для производства ситаллов
Сырьём для производства ситаллов являются те же природные материалы, что и для стекла, но к чистоте сырья предъявляются очень высокие требования. Кроме того, в раствор вводят катализирующие добавки ─ кристаллизаторы (соединения фторидов и фосфатов), которые способствуют образованию мелкокристаллической структуры во всем объеме ситалла.
В качестве исходного сырья могут использоваться:
1. горные породы в этом случае ситаллы будут называться петроситаллы;
2.шлаки в этом случае ─ шлакоситаллы;
3.алюмосиликаты лития ─ сподуменовые ситаллы;
4.алюмосиликаты магния ─ порфиритовые ситаллы;
5.свинец ─ свинецсодержащие ситаллы;
6.слюда ─ слюдоситаллы.
Ситаллы используются для устройства промышленных зданий, изготовления химической аппаратуры, транспортирования агрессивных сред.
Наиболее распространенными являются шлакоситаллы. Шлакоситаллы – разновидности ситаллов, изготавливаемые путём кристаллизации стекла, полученного из металлургических шлаков, кварцевого песка и добавок. Они используются в качестве отделочного материала, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую морозостойкость, высокую атмосферостойкость и высокую прочность. Если вспенить шлакоситаллы получается прекрасный теплоизоляционный материал ─ вспененный шлакоситалл, который может использоваться для изоляции поверхности при температуре > 750 ºС.
Свойства ситаллов
Свойства ситаллов близки к свойствам металлов.
1. Твёрдость ситаллов равна твёрдости закалённой стали;
2. Термостойкость – 
;
3. Отдельные виды ситаллов обладают способностью паяться со сталью.
4. Цветность ситаллов (можно придать любой цвет).
Вяжущие вещества
Вяжущие вещества – жидкие, пастообразные или порошковые вещества, которые после смешивания с затворителем самостоятельно затвердевают и соединяют в монолит разрозненные компоненты.
Наиболее общей классификацией вяжущих веществ является классификация А. А. Пащенко (в зависимости от процессов, протекающих при твердении вяжущих), согласно которой все вяжущие вещества делятся на группы:
1. Гидратационные вяжущие – это вяжущие, в основе твердения которых лежат процессы гидратации, т. е. процессы взаимодействия с водой с образованием новых гидратных соединений, которые и придают вяжущим веществам весь комплекс эксплуатационных свойств (гипс, портландцемент, магнезиальные вяжущие, известь и т. д.);
2. Коагуляционные вяжущие – вяжущие, в основе твердения которых лежат процессы коагуляции (сгущения, укрупнения) за счёт физических Ван-дер-ваальсовых сил (силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие электрическую природу). Ван-дер-ваальсовые силы непрочные, а вяжущие коагуляционного твердения обладают низким комплексом эксплуатационных свойств, зависящих от температуры (битум, дёготь, необожжённые глины, пеки);
3. Полимеризационные и поликонденсационные вяжущие – это вяжущие, в основе твердения которых лежат процессы полимеризации и поликонденсации за счёт химических сил (валентностей), которые более прочные, чем физические (серный цемент, фосфатные вяжущие, кремнеорганические вяжущие, полимерные вяжущие). Полимеризация – метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие молекул мономера не сопровождается выделением побочных низкомолекулярных соединений. Поликонденсация – метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие молекул мономера сопровождается выделением низкомолекулярных соединений.
В строительстве используется лишь небольшая часть вяжущих веществ, которые называются строительными вяжущими веществами.
Строительные вяжущие
1. Неорганические (минеральные) вяжущие вещества (гипс, известь);
2. Органические вяжущие вещества (битум, полимерные вяжущие).
Минеральные вяжущие вещества – порошки, которые при смешивании с водой или с растворами солей образуют пластичное тесто, которое в результате сложных физико-химических процессов, затвердевая, соединяет в монолит любые сыпучие материалы.
В зависимости от способности твердеть все минеральные вяжущие разделяют на 4 группы:
1. Воздушные вяжущие вещества – вяжущие, которые твердеют и сохраняют свои свойства только на воздухе, т. к. при взаимодействии с водой образуются легкорастворимые в воде гидратные соединения.
По химическому составу воздушные вяжущие подразделяются:
а) Гипсовые (
);
б) Магнезиальные, содержащие каустический магнезит (MgO);
в) Жидкое стекло (NaOH);
г) Известковые вяжущие (CaO).
2. Гидравлические вяжущие вещества – это вяжущие, которые после предварительного твердения в течение суток на воздухе твердеют и длительное время сохраняют свои свойства как на воздухе, так и в воде (потому, что вновь образовавшиеся гидратные соединения являются практически нерастворимыми в воде).
Гидравлические вяжущие делятся на 3 группы:
а) Силикатные цементы (75% силиката кальция);
б) Алюминатные цементы (основа – алюминаты);
в) Гидравлическая известь и романцемент.
3. Автоклавные вяжущие вещества – это минеральные вяжущие вещества, которые твердеют только при автоклавном синтезе, происходящем при P = 8–9 атм., t = 170–200 °С (вяжущие на основе извести и алюмосиликатного компонента (тонко молотый песок, шлак, зола)).
4. Кислотостойкие вяжущие вещества – это минеральные вяжущие вещества, которые после предварительного твердения,
в течение суток, воздухе, твердеют и длительно сохраняют свои свойства при воздействии концентрированных минеральных кислот (кислотоупорный кремнефтористый кварцевый цемент).
Воздушные вяжущие
Гипсовые вяжущие
Гипсовые вяжущие вещества – это вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса 
или безводного гипса (ангидрит). Сырьём для получения гипсовых вяжущих веществ служит горная порода гипс, состоящая из минерала 
(двуводный сернокислый кальций).
Получение гипса:
1. Добыча сырья (гипсового камня);
2. Подготовка сырьевых компонентов (дробление в дробилках, измельчение в мельницах, помол совмещается с сушкой);
3. Обжиг (либо при t = 110–170 °С, либо при t = 600–900 °С);
4. Помол готового продукта.
В зависимости от температуры обжига гипсовые вяжущие подразделяют:
1. Низкообжиговые (110–170 °С) – такие вяжущие быстротвердеющие и быстросхватывающиеся:
К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относятся: строительный гипс (β-модификация) и высокопрочный гипс (α-модификация).
β-модификация получается в открытых аппаратах, когда вода удаляется в виде перегретого пара; при этом получается рыхлая структура, кристаллы неправильной формы с большим количеством дефектов и искажений. На гидратацию таких кристаллов расходуется большое количество воды затворения, при этом уменьшается прочность. α-модификацию получают в закрытых аппаратах, удаление воды происходит в жидком виде; при этом кристаллы образуются крупными, плотными, правильно сформированными без искажений. Водопотребность меньше, прочность больше.
2. Высокообжиговые гипсовые вяжущие получают при t = 600–900 °С. Они являются медленносхватывающимися и медленнотвердеющими веществами, но имеют большую водостойкость и прочность при сжатии. Высокообжиговый гипс применяют для бесшовных полов, для перегородок, для искусственного мрамора. Также к высокообжиговым вяжущим веществам относится ангидритовый цемент.
Свойства гипса (строительный β-модификации)
1. Истинная плотность 
кг/м3;
2. Средняя плотность 
кг/м3;
3. Тонкость помола – степень измельчения материала; характеризуется удельной поверхностью или остатком на сите (для гипса в соответствии с требованиями ГОСТ 125-79 применяется сито № 02).
По остатку на стандартном сите гипс делится на три степени помола:
I – грубый помол (остаток на сите № 02 > 23%);
II – средний помол (остаток на сите № 02 от 2 до 14%);
III – тонкий помол (остаток на сите № 02 до 2%).
Тонкость помола гипса влияет на прочность: чем тоньше помол, тем выше прочность, но при этом выше водопотребность.
4. Водопотребность – количество воды, необходимое для затворения гипса. Различают теоретическую и практическую водопотребность. Теоретическая водопотребность – это количество воды, необходимое для прохождения химической реакции
;
теоретическая водопотребность ≈ 18,6 % от массы гипса. Практическая водопотребность – количество воды, необходимое для получения теста нормальной густоты, определяется на приборе Суттарда путём расплыва гипсовой лепёшки.
Для строительного гипса (β-модификация) практическая водопотребность ≈ 50–70% от массы гипса; для высокопрочного гипса (α-модификация) ≈ 35–45% от массы гипса.
На водопотребность гипсовых вяжущих влияют:
а) Структура (α- или β-модификация);
б) Тонкость помола вяжущего вещества ─ чем тоньше помол, тем больше мелких частиц, а, следовательно, больше удельная поверхность, и тем большее количество воды необходимо для затворения.
5. Сроки схватывания (прибор Вика с иглой). Различают начало и конец схватывания гипсового теста. Начало схватывания – это время в минутах от момента затворения гипса водой до момента образования первых кристаллических форм. Конец схватывания – это время в минутах от момента затворения гипса водой до момента завершения образования кристаллических форм. Очень короткие сроки схватывания часто негативно отражаются на изделиях из гипсовых вяжущих.
В зависимости от сроков схватывания гипсового теста гипсовые вяжущие вещества делятся на следующие виды:
А – Быстросхватывающиеся гипсовое вяжущее (от 2х до 6ти минут);
Б – Среднесхватывающиеся (6 – 30 минут);
В – Медленносхватывающиеся (> 30 минут).
Сроки схватывания можно регулировать с помощью добавок.
Замедлители схватывания:
а) Добавки, механизм действия которых заключается в том, что они образуют на поверхности частиц гипса труднорастворимые соединения, в результате чего замедляется доступ воды к частицам гипса, и сроки схватывания замедляются (примеры: фосфат натрия, бура, борная кислота) (их добавляют в количестве 2 – 3%);
б) ПАД – поверхностно активная добавка (например: лигносульфонаты технические, сульфидно-дрожжевая бражка (СДБ)). Механизм действия: ПАД адсорбируется на поверхности гипсовых частиц с образованием мономолекулярного слоя, который предотвращает доступ воды к гипсовым частицам. При применении ПАД нормальная густота гипсового теста уменьшается на 10–15%.
Ускорители схватывания:
а) Хлорид натрия (
), хлорид калия (
), сульфат натрия (
), хлористое железо – ускоряют процесс гидратации гипса в воде (добавляют в количестве 2 ─ 3% от массы гипсового вещества);
б) Двуводный сернокислый кальций (
), который является готовым центром кристаллизации, после ввода которого в систему возле него начинают интенсивно расти новые гидратные соединения.
Совместное применение добавок (комплексные добавки) создаёт более широкие возможности регулирования сроков схватывания.
6. Прочность (способность материала не разрушаться от возникающих внутренних напряжений при воздействии внешней нагрузки; характеризуется пределом прочности) гипсовых вяжущих определяется на стандартных гипсовых образцах-балочках (4х4х16 см), изготовленных из гипсового теста нормальной густоты, через три часа после изготовления образцов. Стандартом установлено 12 марок гипса по прочности (максимальное разрушающее напряжение в МПа): Г2, Г3, Г4, Г5, Г6, Г7, Г10, Г13, Г16, Г19, Г22, Г25. На прочность гипса влияют тонкость помола и водопотребность.
Марка гипсового вяжущего даёт информацию о его основных свойствах и записывается в виде, например, Г-6-А-II, где Г – гипсовое вяжущее, 6 – предел прочности на сжатие в МПа, А – быстросхватывающееся, II – среднего помола.
7. Водостойкость (способность материала не разрушаться в насыщенном водой состоянии; характеризуется коэффициентом размягчения) гипсовых вяжущих: 
(не водостойкий, так как гипс – воздушное вяжущее вещество, то при взаимодействии с водой образуются новые гидратные соединения, которые вымываются из гипсового камня);
8. Морозостойкость (способность материала выдерживать попеременно замораживание при t = – 20 и оттаивание в воде комнатной температуры, теряя при этом массы не более 5%
и прочности – не более 15%; характеризуется коэффициентом морозостойкости) гипса очень низкая;
9. Воздухостойкость высокая;
10. Огнестойкость (способность материала выдерживать воздействие открытого огня в течение определённого времени) высокая (прогревается медленно, разрушается через 6 – 8 часов прогрева).
Применение гипсовых вяжущих веществ
Чаще применяют при влажности до 60% для огнезащитных покрытий и перегородок, для изготовления гипсобетонов для изготовления отдельных плит, для вентиляционных решёток, для изготовления архитектурных украшений, в медицине.
Теория твердения гипса
Существуют несколько теорий твердения гипса. Наиболее распространённой и применяемой является теория А. А. Байкова о твердении вяжущих веществ. В процессе твердения гипса выделяют следующие периоды:
1ый период – подготовительный период: происходит частичное растворение гипсового вяжущего и взаимодействие твёрдых частиц гипса с водой; происходит растворение полугидрата и образование его насыщенного раствора;
2ой период – период коллоидации: вода взаимодействует с полуводным гипсом с образованием двуводного гипса в виде высокодисперсных кристаллических частиц:
;
двуводный гипс имеет плохую растворимость, в результате чего раствор быстро становится пересыщенным, и частицы двугидрата выделяются в растворе в виде коллоида или геля, что сопровождается схватыванием массы; коллоидное состояние вещества является неустойчивым из-за избытка внутренней энергии, и система стремится перейти в энергетически более выгодное состояние (кристаллизационное);
3ий период – период кристаллизации, когда из пересыщенного раствора начинает выкристаллизовываться двуводный гипс (), вначале в виде мелких кристаллов, которые затем растут, переплетаются, затем происходит повышение прочности и уплотнение твердеющей системы. Кристаллы придают гипсовому камню весь комплекс эксплуатационных свойств.
Эти периоды не следуют строго один за другим, они налагаются так, что в твердеющей системе происходит одновременно и растворение, и коллоидация, и кристаллизация.
Воздушная известь
Воздушная известь – продукт обжига кальциево-магниевых карбонатных горных пород (известняк, доломит). Представляет собой воздушное вяжущее вещество гидратационного способа твердения.
;
;
При температуре обжига 900–1200 °С удаляется углекислый газ (в известняке его до 44%) и образуется оксид кальция CaO; кроме оксида кальция в известняке содержится оксид магния MgO. Эти два оксида – основные составляющие воздушной извести.
В зависимости от содержания в извести оксида магния (MgO) различают:
1. Кальциевую известь (MgO ≤ 5%);
2. Магнезиальная известь (5% < MgO < 10%);
3. Доломитовая известь (MgO = 20–40%).
В результате обжига получается негашеная комовая известь («кипелка»), активно взаимодействующая с водой.
Чем выше в извести содержание CaO и MgO, тем пластичнее известковое тесто и выше сорт извести. Содержание частиц недожога и пережога ухудшает качество. Недожог – оставшиеся зёрна известняка. Пережог – остеклованный, трудногасящийся оксид кальция, уплотнённый при высокой температуре.
При взаимодействии негашеной извести с водой образуется гашёная известь, которая называется известь «пушонка», а процесс называется гашением:
↔ 
.
В зависимости от скорости гашения воздушная известь подразделяется:
1. Быстрогасящаяся, скорость гашения которой не превышает 8 минут;
2. Среднегасящаяся, скорость гашения которой не более 25 минут;
3. Медленногасящаяся, скорость гашения которой не менее 25 минут.
При гашении извести следует соблюдать следующие условия:
─ Объём жидкости, в которой происходит гашение, должен быть в 2,5 раза больше объёма взятой негашёной извести, т. к. при гашении происходит процесс диспергации и увеличение объёма гашёной извести в 2–2,5 раза;
─ Реакция гашения является обратимой, поэтому чтобы процесс протекал в нужном направлении необходимо использовать 2х – 3х кратный объём воды;
─ При гашении выделяется большое количество тепла, поэтому следует соблюдать технику безопасности.
Свойства извести
1. Истинная плотность: негашеной извести 
кг/м3; гашеной извести 
кг/м3;
2. Насыпная плотность негашеной извести 
кг/м3; гашеной извести 
кг/м3;
3. Известь очень пластична (т. к. обладает очень высокой удельной поверхностью и на своей поверхности абсорбирует молекулы воды), поэтому её используют в качестве пластификатора (пластифицирующей добавки) в строительных растворах;
4. Водопотребность извести до 35%;
5. Сроки схватывания до 24 часов;
6. Прочность негашёной извести до 10 МПа, гашёной – до 2 МПа;
7. Водостойкость низкая;
8. Долговечность извести зависит от условий эксплуатации: в сухих условиях – высокая, во влажных – низкая.
Применение извести. Для изготовления красочных составов, автоклавных материалов, строительных растворов, смешанных вяжущих веществ.
Теория твердения А. А. Байкова применима к извести.
Магнезиальные вяжущие
Магнезиальные вяжущие – это тонкие (тонкомолотые) порошки, главной основой которых является оксид магния MgO. Это каустический магнезит (MgO) и каустический доломит (MgO + 
).
Сырьё:
Магнезит MgCO3;
Доломит CaCO3 + MgCO3.
Этапы производства
1. Добыча сырья;
2. Обработка;
3. Обжиг (при температуре 750–900 °C): 
.
Отличительные особенности магнезиальных вяжущих
1. Затворяются не водой, а водным раствором солей: 
или 
5 - 10%ной концентрации. Такое затворение этих вяжущих ускоряет процесс твердения и значительно повышает твёрдость;
2. Характеризуются большой адгезионной способностью к поверхности органических заполнителей (опилки и т. д.), поэтому магнезиальные вяжущие применяют для изготовления фибролита и магнезиально-опилочных полов (ксилолитовые полы);
3. Органические заполнители не гниют в магнезиальных вяжущих веществах.
Свойства магнезиальных вяжущих
1. Истинная плотность 
кг/м3;
2. Насыпная плотность 
кг/м3;
3. Тонкость помола: остаток на сите № 008 не более 25%;
4. Водопотребность ≈ 35%;
5. Сроки схватывания: не ранее 20 минут, не позднее 3 часов;
6. Прочность высокая (до 100 МПа – каустический магнезит; до 30 МПа – каустический доломит);
7. Водостойкость низкая.
Гидравлические вяжущие вещества
К гидравлическим вяжущим веществам относятся: гидравлическая известь; романцемент; портландцемент и его разновидности.
Степень гидравличности вяжущих веществ теоретически определяется при помощи модуля основности:
Гидравлический модуль выражает содержание основного оксида CaO по отношению к суммарному количеству кислотных оксидов. Чем выше модуль основности, тем более воздушным является вяжущее вещество. Большое количество оксида кальция – это воздушные свойства, а оксидов , 
, – гидравлические свойства.
Гидравлическая известь
Гидравлическая известь – это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое в процессе обжига (при температуре 900–1000 °C) недоспеканием мергелистых известняков. Чем больше примесей глины, тем ниже температура обжига. В процессе обжига мергелистых известняков часть образовавшегося оксида кальция остаётся свободной, а другая часть соединяется с оксидом железа, входящим в состав глинистых примесей.
По химическому составу гидравлическая известь представляет собой:
1. 
– свободный оксид кальция;
2. 
– двухкальциевый силикат;
3. 
– двухкальциевый алюминат;
4. 
– феррит.
Три последние оксида – низкоосновные соединения, придающие извести гидравлические свойства.
Особенностью твердения гидравлической извести является то, что ей вначале нужно создавать воздушные условия твердения, причём чем больше содержание CaO, тем больше время воздушного твердения, а затем гидравлические (влажные) условия твердения. Поэтому по ГОСТу гидравлическая известь 7 суток твердеет на влажном воздухе и 21 день в воде.
Свойства гидравлической извести
1. Истинная плотность: 
кг/м3;
2. Насыпная плотность: 
кг/м3 ;
3. Водопотребность: ≈ 30%, меньше, чем у воздушной извести, но больше, чем у портландцемента;
4. Сроки схватывания: твердеет медленно ≈ 16 часов;
5. Прочность низкая: 5–7 МПа;
6. Пластичность низкая.
Применение
Для изготовления низкомарочных бетонов и растворов, которые будут использованы во влажных условиях;
Как добавка для приготовления смешанных вяжущих веществ.
Романцемент
Романцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом обожжённых не до спекания (t ≈ 900 °C) известковых или магнезиальных мергелей (глинистых > 20%). Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты кальция придают романцементу гидравлические свойства.
Романцемент выпускают 3х марок по прочности: М25; М50; М100 (кг/см2).
Романцемент должен выдерживать испытания на равномерность изменения объёма.
Применяется для изготовления бетонов низкой марки и строительных растворов.
Портландцемент (1824 г.)
Портландцемент – это высокоактивное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера и гипса. Портландцементный клинкер – вещество, полученное в результате обжига до спекания (
) сырьевой смеси, состоящей из известняка с большим количеством 
(≈ 75%) и глинистых пород (≈ 25%). Из 1,5 тонны минерального сырья получается 1 тонна портландцементного клинкера (цементный камень). Гипс вводится в портландцементный клинкер для регулирования (увеличения) сроков схватывания в размере до 3,5%. В портландцемент разрешается вводить различные добавки. Если добавок до 15%, то название портландцемента не меняется, если > 15%, то меняется. В настоящее время применяются побочные продукты промышленности (доменные шлаки, нефелиновый шлам (отход при производстве глинозёма)).
Получение портландцемента
1. Добыча сырья;
2. Подготовка сырья;
3. Обжиг до 
;
4. Совместный помол с гипсом.
Подготовка сырья
Подготовка сырьевых компонентов осуществляется сухим, мокрым или комбинированным способом.
Сухой способ: сырьевые компоненты измельчаются и смешиваются в сухом виде, сырьевая смесь получается в виде минерального порошка (минеральной муки). Влажность ≈ 1–2%. В этом случае гомогенизация (однородность) недостаточна, поэтому качество клинкера невысокое, но на обжиг такого сырья расходуется в 2 раза меньше тепла, чем при мокром способе.
Мокрый способ: тонкое измельчение и смешивание осуществляют в водной среде. Сырьевая смесь получается в виде жидкой, текучей массы с большим (до 35%) содержанием воды. При этом получается гомогенная сырьевая смесь, дающая клинкер повышенного качества. Недостатком такого способа является большой расход тепла при обжиге на испарение воды.
Комбинированный способ: гомогенная жидкая сырьевая смесь подаётся на вакуумные фильтры, где удаляется вода. И почти сухая смесь поступает на обжиг.
Обжиг
Обжиг сырьевой смеси производится во вращающихся печах (диаметр до 7 метров, длина до 300 метров), где сырьевая смесь проходит различные температурные зоны:
1. Зона испарения (зона сушки): 
;
2. Зона подогрева: 
;
3. Зона кальцинирования: 
;
4. Зона экзотермических реакций: 
;
5. Зона спекания: 
;
6. Зона охлаждения: 
.
Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких гранул ("горошек"), затем интенсивно (быстро) охлаждается с 
до 
, после чего его хранят на складе 1–2 недели.
Затем осуществляют совместный помол портландцементного клинкера с гипсом.
В настоящее время появился новый способ получения портландцементного клинкера (алинитовый способ). В этом случае обжиг сырьевой смеси осуществляется в среде раствора хлористого кальция (
). Преимущества: помол "горошка" в 3 раза меньше, температура обжига снижается на 
. Недостаток: присутствие ионов хлора в главном минерале алите, которые вызывают коррозию цементного камня.
Минералогический состав портландцементного клинкера
Четыре основных оксида (; ; ; ) образуют алюминаты, силикаты, алюмофериты кальция в виде минералов кристаллической формы.
1. Алит;
2. Белит;
3. Трёхкальциевый алюминат;
4. Четырёхкальциевый алюмоферит.
Алит – 
(трехкальциевый силикат 
). В портландцементном клинкере его содержится 45–60% – это важнейший клинкерный минерал, определяющий высокую прочность и быстроту твердения портландцемента. Повышенное содержание алита способствует быстрому росту высокой прочности, особенно в начальные сроки твердения, но снижает водостойкость портландцемента.
Белит – (двухкальциевый силикат 
).
20 ─ 30 %. Отличается медленным твердением, но обеспечивает достижение высокой прочности при длительном твердении портландцемента, снижает усадку и тепловыделение.
Трёхкальциевый алюминат 
(
). В портландцементном клинкере его содержится от 3 до 15% – это самый активный минерал цементного клинкера, являющийся причиной сульфатной коррозии. При повышенном содержании в портландцементном клинкере происходит быстрый рост прочности в начальные сроки твердения, увеличение содержания ведёт к повышению усадки и экзотермии.
Четырёхкальциевый алюмоферит 
(
). Содержание ≈ 10 ─ 20 %. Повышенное содержание снижает экзотермию, усадку, увеличивает водостойкость портландцемента, немного снижает водопотребность.
Качество портландцементного клинкера характеризуется модулями:
1. Оснóвный модуль (ОМ):
;
2. Силикатный модуль (СМ):
.
Силикатный модуль показывает соотношение между минералами силикатами и минералами плавнями. Чем выше СМ, тем выше сульфатостойкость портландцемента. СМ колеблется
в пределах 1,7–3,5;
3. Алюминатный (глинозёмистый) модуль:
.
Чем выше ГМ, тем выше стойкость портландцемента в минерализованных водах. ГМ колеблется в пределах 1–2,5. Цементы с высоким ГМ быстро схватываются, но имеют пониженную конечную прочность.
Твердение портландцемента
Цементное тесто при смешивании с водой имеет 3 периода твердения:
1. В течение 1–3х часов после затворения цемента водой цементное тесто пластично и легко формуется.
2. Затем наступает схватывание, заканчивается через 5–10 часов после затворения. В это время цементное тесто загустевает
и утрачивает подвижность, но его прочность очень мала.
3. Переход загустевшего цементного теста в твёрдое состояние означает конец схватывания. Твердение может длиться годами до полной гидратации составляющих портландцемента.
Теория твердения портландцемента по Байкову
Выделяют три периода твердения портландцемента:
1. Подготовительный период: с момента затворения цемента водой начинают образовываться гидратные соединения по следующим схемам:
;
;
;
.
Гидроксид и гидроалюминат кальция быстро растворяются в воде с образованием насыщенного, а затем пересыщенного раствора;
2. Период коллоидации: продукты гидратации клинкерных материалов, нерастворимые в воде, находятся в коллоидном состоянии в виде геля. При этом пластичная масса вяжущего вещества постепенно загустевает. Коллоидное состояние является неустойчивым из-за избытка внутренней энергии, поэтому система переходит в более выгодное состояние – кристаллизуется;
3. Период кристаллизации: Гидроксид и гидроалюминат кальция из пересыщенного раствора начинают перекристаллизовываться, образуя кристаллы, которые растут, переплетаясь друг
с другом, при этом происходит упрочнение всей твердеющей системы вяжущего. Вязкое тесто переходит в камневидное состояние. Главными кристаллообразующими веществами в цементном тесте являются: 
и 
, если происходит разрушение одного из кристаллообразующих соединений, то происходит разрушение всей структуры цементного камня.
Деление процесса твердения цементного камня является условным, все три периода происходят одновременно.
Теория Байкова постоянно развивается, углубляется, расширяется.
Коррозия цементного камня
На твердеющий цемент в бетоне или растворе действуют различные жидкости и газы, некоторые из которых понижают прочность или разрушают цемент. Совокупность этих явлений называется коррозией цементного камня.
Теория коррозии цементного камня Москвина
Согласно этой теории все коррозионные процессы делят на три типа.
Типы коррозии цементного камня:
I. Коррозия первого типа – коррозия выщелачивания. Протекает в цементном камне под воздействием на него мягких вод (мало солей). Мягкие воды растворяют гидроксид кальция (), в результате этого образуются поры, в которые вновь попадает вода, и, таким образом, коррозия углубляется. Выщелачивание можно заметить по наличию белых пятен и подтёков на бетоне.
Защита:
1. Ограничить содержание алита в портландцементном клинкере до 50%;
2. Введение активных минеральных добавок;
3. Уплотнение бетона;
4. Выдерживание на воздухе изделий для каких-либо сооружений (гидрооксид кальция при взаимодействии с 
образует труднорастворимый карбонат кальция);
5. Использование оклеечной или окрасочной гидроизоляции;
II. Коррозия второго типа – кислотная коррозия развивается при воздействии на цементный камень различных растворов кислот, имеющих 
(кроме поликремниевой и кремнефтористоводородной). Кислоты встречаются в сточных водах предприятий, в атмосфере содержаться ангидриды кислот, хлор и т. д. Кислота вступает в реакцию с гидрооксидом кальция
с образованием растворимых или увеличивающихся в объёме солей. Кроме того, кислота разрушает силикаты кальция (алит, белит).
Защита: защитные слои из кислотостойких материалов;
III. Коррозия третьего типа – сульфатная коррозия: гидроалюминат кальция разрушается под воздействием сульфатных ионов, при этом образуется малорастворимый трёхсульфатный гидросульфоалюминат (эттрингит), который кристаллизуясь в порах увеличивается в объёме приблизительно в 2 раза.
Защита: для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяют специальный сульфатостойкий цемент.
Свойства цементов
1. Истинная плотность: 
г/см3.
2. Насыпная плотность:
в рыхлом состоянии: 
г/см3; в уплотнённом состоянии: 
г/см3.
3. Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 008: остаток должен быть не более 15%. Удельная поверхность зёрен – суммарная площадь поверхности цемента в 1 грамме (должна составлять 2500–3000 см2).
4. Водопотребность: нормальная густота цементного теста определяется с помощью прибора Вика с пестиком Тетмайера. Различают практическую (
) и теоретическую (
) водопотребности.
Вводимая в цемент избыточная вода повышает пористость
и уменьшает прочность портландцемента. Водопотребность зависит от минералогического состава (чем больше алита (), тем больше водопотребность) и тонкости помола (чем тоньше помол, тем водопотребность больше). При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомит, опока, трепел) водопотребность цемента возрастает до 37%.
5. Сроки схватывания определяются при помощи прибора Вика с иглой.
Для портландцемента: начало схватывания не ранее 45 минут; конец схватывания не позднее 10 часов.
На сроки схватывания влияют:
а) Минералогический состав портландцементного клинкера: повышенное содержание трёхкальциевого алюмината () увеличивает сроки схватывания;
б) Водоцементное отношение – отношение количества воды к количеству цемента: с увеличением водоцементного отношения сроки схватывания замедляются;
в) Тонкость помола: с увеличением тонкости помола увеличиваются сроки схватывания.
6. Равномерность изменения объёма. Неравномерность вызывается гидратацией свободных оксидов кальция и магния, которые расширяются, вызывая местные деформации. По ГОСТу изготовленные из теста нормальной густоты образцы-лепёшки через 24 часа предварительного твердения выдерживают 3 часа в кипящей воде, при этом лепёшки не должны деформироваться и не должны возникать радиальные трещины.
7. Прочность характеризуется маркой, которую устанавливают по пределу прочности на сжатие стандартных образцов-балочек. Образцы изготавливаются из цементно-песчаного раствора с соотношением 1:3 при водоцементном отношении равном 0,4.
Промышленность выпускает портландцемент 4 марок: М400; М500; М550; М600.
На прочность портландцемента влияют: минералогический состав, водоцементное отношение, продолжительность твердения и условия хранения.
Портландцемент набирает марку по прочности в течение 28 суток, причём первые сутки образцы хранят на воздухе при 100% влажности, далее 27 суток хранят в воде.
Разновидности портландцемента
Изменяя минералогический состав цементного клинкера получают различные разновидности портландцемента:
1. БТЦ (быстротвердеющий портландцемент);
2. Сульфатостойкий портландцемент;
3. Портландцемент с умеренной экзотермией;
4. Дорожный портландцемент;
5. Белый и цветные портландцементы;
6. Пластифицированный портландцемент;
7. Гидрофобный портландцемент.
Для получения портландцемента с заданными свойствами используют 2 пути:
1. Изменение минералогического состава и структуры портландцементного клинкера;
2. Введение минеральных или органических добавок.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ)
Существуют:
1. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ);
2. Особо быстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ);
3. Сверх быстротвердеющий портландцемент (СБТЦ).
Быстротвердеющий портландцемент – портландцемент, отличающийся повышенной прочностью (50% марочной прочности) через 3 суток.
Для получения группы быстротвердеющих портландцементов в клинкере увеличивают содержание алита () и трёхкальциевого алюмината () – в сумме содержание эти минералов должны составлять ≈ 60–65%, кроме этого производят более тонкий помол.
БТЦ при твердении выделяют повышенное количество тепла (повышенная экзотермия), что исключает их для применения в массивных конструкциях.
Повышенное содержание алита и трёхкальциевого алюмината снижает водо- и сульфатостойкость т. к. в продуктах гидратации содержится большое количество гидроксида кальция и гидроалюмината кальция 
.
Быстрый рост прочности позволяет:
1. Получать высокопрочные изделия и конструкции;
2. Получать раннюю прочность изделий, достаточную для снятия опалубки;
3. Сократить либо отказаться от тепловлажностной обработки;
4. Использовать быстротвердеющий бетон в условиях зимнего бетонирования;
5. Использовать быстротвердеющий бетон в ремонтно-строительных работах.
Сульфатостойкий портландцемент
Для получения сульфатостойкого портландцемента необходимо, чтобы портландцементный клинкер был нормирован по содержанию трёхкальциевого алюмосиликата . Его должно содержаться не более 5%. Тогда в процессе гидратации образуется малое количество гидроалюмината каль
