Классификация неорганических вяжущих веществ

1.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра технологии строительных материалов и метрологии
Строительные материалы
Тема 4
Классификация неорганических
вяжущих веществ. Основы
технологий. Свойства и
применение.
Иванова Татьяна Александровна
к.т.н., доцент
Колесникова Людмила Григорьевна
Старший преподаватель

2.

Вяжущими веществами называют материалы, способные в
определенных условиях (при смешивании с водой, нагревании и т.д.)
образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или
под действием определенных факторов со временем затвердевает.
Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное
вяжущие вещества могут скреплять между собой камни или зерна
щебня, гравия или песка. Это свойство используется для получения
бетонов, растворов и т.д.
Минеральными (неорганическими) вяжущими веществами
называют порошкообразные материалы, состоящие из отдельных,
простых или комплексных солей или оксидов, гидроксидов,
образующие при смешивании их с водой или с растворами щелочей
или кислот пластичное тесто, которое постепенно затвердевает в
результате физико-химических реакций, протекающих между
вяжущими и затворителем.

3.

ВОЗДУШНЫЕ ВЯЖУЩИЕ:
- Воздушная известь
- Гипсовые вяжущие
- Магнезиальные вяжущие
- Растворимое стекло
Воздушные вяжущие способны затвердевать и длительно
сохранять прочность только на воздухе.
К ним относятся портландцемент,
гидравлическая известь,
сульфоалюминатные цементы.
Гидравлические вяжущие характеризуются
тем, что после смешивания с водой и
предварительного твердения на воздухе
способны твердеть и сохранять свою прочность
в воде.

4.

В зависимости от исходного сырья
получают следующие воздушные
вяжущие вещества:
1 – строительный гипс и
ангидритовые вяжущие,
изготовляемые из гипсового камня —
CaS04*2H20
2– воздушную известь, получаемую из
известняка
3– магнезиальные вяжущие вещества,
производимые из магнезита или
доломита
4- жидкое стекло представляет собой
коллоидный водный раствор силиката
натрия или силиката калия

5.

Гипсовые вяжущие вещества
Сырье: гипсовый камень (CaSO42H2O) или ангидрит (CaSO4)

6.

Гипсовые вяжущие– это порошкообразные материалы, состоящие
из полуводного гипса (CaSO4·0,5H2O) и получаемые тепловой
обработкой при температуре в пределах 105–180 ºС природного
двуводного гипса (СаSO4·2H2O) или гипсосодержащих техногенных
отходов (вторичных ресурсов).
При термообработке двуводного гипса в паровой среде под
давлением в автоклавах или в водных растворах некоторых солей при
атмосферном давлении образуется гипсовое вяжущее α-модификации).
При обжиге сырья при 130–180 ºС получают гипсовое вяжущее βмодификации).

7.

Модификации полуводного гипса отличаются размерами и
формой кристаллов:
α-модификация имеет более крупные кристаллы без пустот и пор;
β-модификация – бесформенные кристаллы, в которых много пор.
Вследствие этого гипсовое вяжущее α-модификации имеет
меньшую водопотребность, а затвердевший гипс из α-полугидрата
приобретает повышенную плотность и прочность по сравнению с βполугидратом.
Истинная плотность гипса составляет 2,65-2,75 г/см³; насыпная
плотность гипса - 800-1100 кг/м³, средняя плотность гипсового камня 1200-1500 кг/м³.

8.

Производство гипса.
Гипсовый камень в виде двуводного гипса (CaS04*2H20) не обладает
вяжущими свойствами.
Будучи измельчен и смешан с водой, он не загустевает и не переходит в
камневидное состояние.
В то же время CaS04*2H20 сравнительно легко отдает воду, которая входит в
его химический состав; и при температуре 150-180° переходит в полуводный гипс
CaS04* 0,5Н2О.
Порошок полуводного гипса при затворении водой быстро затвердевает,
превращаясь в камень. Для получения строительного гипса необходимо природный
гипсовый камень превратить в полуводный гипс.
Для этого его обжигают при температуре 150-170°, в результате чего
происходит частичное обезвоживание гипсового камня по реакции:
CaS04*2H20 = CaS04*0,5H20 + 1,5Н20.
В измельченном виде полуводный сернокислый кальций и будет представлять
строительный гипс. Обжигают гипсовый камень в сушильных барабанах, варочных
котлах и шахтных мельницах.

9.

Сушильный барабан
В барабане гипс обжигают в кусках размером до 15 мм. Барабан представляет собой
металлический цилиндр, установленный с наклоном на роликовых опорах и приводимый во
вращение приводом.
Гипсовый камень подается по течке и продвигается к опущенному концу барабана в
результате его наклонного вращения. Из топки в барабан поступают горячие дымовые газы,
которые проходят внутри барабана, соприкасаются с гипсовым камнем и обжигают его.
Обожженный гипс по лотку выгружается из барабана, измельчается в молотковых
дробилках или в шаровых мельницах, после этого его отправляют на строительство.
Сушильный барабан: 1 — барабан, 2 — роликовые опоры, 3- привод, 4- топка, 5 — течка, 6 — лоток

10.

Гипсоварочный котёл
При обжиге гипса в варочных котлах гипсовый камень предварительно
размалывают до порошкообразного состояния, затем загружают в снабженной
мешалкой котел и «варят» порошок в течение 1,5-2 час.
Котел снабжен жаровыми трубами, по которым пропускают горячие
дымовые газы, чтобы равномернее и быстрее нагреть порошок гипсового камня в
котле.
Обожженный гипс выгружают через специальное отверстие в нижней части
котла и отправляют на склад.
Гипсоварочный котел: 1 — топка с
механической загрузкой топлива,
2 — бункер для топлива, 3 —
привод мешалки, 4 — загрузочный
шнек, 5 — бункер для порошка
гипсового камня, 6 — бункер для
обожженного гипса, 7 —
разгрузочная течка котла, 8 —
шиберы, 9 — котел, 10 — жаровые
трубы котла, 11 — мешалка

11.

Шахтные мельницы
В шахтных мельницах
совмещается помол и обжиг гипса. В
шахту мельницы гипсовый камень в
виде щебня поступает непрерывно и
попадает на вращающиеся с большой
скоростью стальные биллы.
В нижнюю часть мельницы под
биллы нагнетаются горячие дымовые
газы по каналам. Мелкие частицы,
образовавшиеся при помоле, выносятся
горячими газами из мельницы и
попадают в пылеосадительные
устройства.
В горячем потоке газов частицы
гипсового камня обезвоживаются до
полуводного гипса.

12.

Строительный гипс представляет собой мелкокристаллический
материал, требующий для получения гипсового теста определенной
пластичности от 50 до 70 % воды.
Для высокопрочного крупнокристаллического гипса, полученного в
автоклавах при температуре 123 °С, количество воды сокращается до
30...50 %. В связи с тем, что на реакцию гидратации расходуется до 19 %
воды, прочность камня на основе высокопрочного гипса вследствие более
высокой плотности составляет 30...40 МПа, а строительного гипса − до 25
МПа.
Качество гипсовых вяжущих оценивают по тонкости помола,
срокам схватывания и прочности.

13.

Почти все минеральные вяжущие получают обжигом горных
пород с последующим тонким помолом продукта обжига.
Твердение минеральных вяжущих происходит в результате их
взаимодействия с водой (реакций гидратации).
Условно принято различать два периода в процессе твердения
вяжущего вещества – схватывание и собственно твердение.
Момент, когда пластичное тесто вяжущего начинает
загустевать и теряет пластичность, соответствует началу
схватывания.
Далее тесто вяжущего все больше и больше уплотняется,
полностью загустевает и постепенно превращается в твердое
каменное тело, не обладающее еще заметной прочностью. Этот
момент считают концом схватывания.
Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому
оценивают вяжущие по прочности, набранной за определенное время
твердения в условиях, установленных стандартом. Этот показатель
принимают за марку вяжущего.

14.

При твердении строительного гипса происходит
гидратация полуводного гипса с превращением его в
двуводный по уравнению:
CaSO4*0,5H2O+1,5H2O = CaSO4*2H2O.
Следовательно, при твердении идет процесс, противоположный
тому, что происходит при обжиге.
А. А. Байков указывает, что при твердении полуводного гипса,
кроме процессов растворения и кристаллизации, имеет значение
процесс коллоидации.
Указанные периоды не следуют один за другим в строгой
последовательности, а налагаются один на другой так, что, например,
при не закончившихся во всей массе материала процессах
коллоидообразования, характерных для второго периода, могут в
известных частях твердеющей массы идти уже процессы
кристаллизации, характерные для третьего периода.

15.

Твердение по теории Байкова.
1. Подготовительный. Полуводный гипс растворяется в воде и образует
насыщенный раствор. Для гипсовых вяжущих продолжительность периода не
превышает 2... 20 мин после затворения водой. В течение этого времени вязкость и
температура гипсового теста изменяются незначительно, в это время осуществляют
перемешивание, транспортировку, укладку и уплотнение гипсового теста,
растворных и бетонных смесей.
2. Период коллоидации. После образования насыщенного раствора вода
взаимодействует с полуводным гипсом на поверхности зерен вяжущего путем
прямого присоединения ее к твердому веществу (топохимически). Это приводит к
образованию высокодисперсных частиц двуводного гипса коллоидных размеров на
поверхности зерен вяжущего и коллоидной структуры — геля. Отличительной
особенностью этого периода является увеличение вязкости гипсового теста.
3. Период кристаллизации. Характеризуется преимущественным ростом
коллоидных частиц, образованием сравнительно крупных кристаллов двуводного
гипса за счет продолжающихся процессов гидратации и растворения мелких
кристаллов. Кристаллы срастаются и образуют пространственный сросток —
структуру твердения.

16.

Свойства гипсовых вяжущих.
Гипсовые вяжущие различают по тонкости помола.
Существуют следующие индексы помола: I – грубый; II – средний; III –
тонкий. С увеличением тонкости помола качественные показатели
гипсовых вяжущих улучшаются.
Водопотребность – это количество воды затворения, которое
необходимо для получения теста нормальной густоты.
Сроки схватывания. Различают три вида гипсовых вяжущих по
срокам схватывания: А – быстротвердеющий – не ранее 2 и не позднее 15
мин; Б – нормальнотвердеющий – не ранее 6 и не позднее 30 мин; В –
медленнотвердеющий – не ранее 20 мин, конец схватывания не
нормируется.
Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в
гипсовые вяжущие при затворении вводят различные добавки. В
частности, замедлителями схватывания являются добавки ПАВ
(поверхностно-активных веществ).
Прочность. Определяется испытанием изготовленных из
гипсового теста нормальной густоты образцов-балочек размером 4х4х16
см в возрасте 2-х часов на изгиб, а их половинок – на сжатие.
В зависимости от предела прочности при сжатии и изгибе
определяют марку гипсовых вяжущих: Г2, Г3, Г4, Г5, Г6, Г7, Г10…Г25.

17.

Гипсовые вяжущие применяют для получения гипсокартонных и
гипсоволокнистых листов, а также облицовочных изделий, вентиляционных
коробов, плит для перегородок и т.п., используемых в конструкциях зданий и
сооружений при относительной влажности воздуха не более 60 %
Гипсовые изделия отличаются гигиеничностью, небольшой средней
плотностью (1200...1500 кг/м3), высокой пористостью (30...60%),
огнестойкостью, архитектурной выразительностью, высокими тепло и
звукоизоляционными свойствами.
• В штукатурных работах применяют гипсовые вяжущие всех марок, среднего и
тонкого помола, нормального и медленного твердения. Добавка гипсовых
вяжущих ускоряет схватывание известково-песчаных растворов и повышает
прочность штукатурного слоя, придает его поверхности гладкость и белизну.
• Гипсовые вяжущие марок Г-2...Г-7 применяют для изготовления гипсовых
деталей и гипсобетонных изделий
• Гипсовые вяжущие марок Г-5...Г-25 тонкого помола с нормальными сроками
схватывания применяют для изготовления форм и моделей фарфоровых,
фаянсовых и других керамических изделий.
• Гипсовые вяжущие служат основой для приготовления мастик для
приклеивания листов сухой штукатурки.

18.

Гипсокартон представляет собой смесь из гипса с
армирующими добавками, помещённую между двумя
листами прочного картона.
- обычный гипсокартон (ГКЛ) представляет собой
материал серого, реже синего цвета не допускается к
использованию в помещениях, влажностью выше 70 %;
-влагостойкий гипсокартон (ГКЛВ) окрашен в синий
или зеленый цвет, стоит несколько дороже и применяется
в тех помещениях, где относительная влажность воздуха
выше 70%. Для обеспечения санитарной безопасности в
состав гипсоволокнистого листа включены специальные
добавки: гидрофобные и противогрибковые.
- огнестойкий гипсокартон, армированный
стекловолокном, чаще всего серого цвета, реже красного.
Гипсовый сердечник содержит минеральные добавки и
волокна, придающие листам способность в два раза
дольше в сравнении со стандартным листом
сопротивляться воздействию открытого пламени.

19.

20.

Ангидритовые вяжущие состоят в основном из ангидрита – безводного
сульфата кальция CaSO4.
В отличие от полуводного гипса они медленно схватываются и твердеют, но
их прочность и водостойкость выше.
Различают ангидритовое вяжущее(ангидритовый цемент) и высокообжиговый
гипс (эстрихгипс).
Ангидритовое вяжущее получают обжигом гипсового сырья при 600-750 ºC и
последующим тонким помолом продукта обжига с добавками катализаторов в
количестве 5-7 % (извести, обожженных доломитов и т.д.) или одним только
измельчением природного ангидрита с указанными добавками.
Ангидритовое вяжущее состоит в основном из нерастворимого ангидрита,
который с водой практически не взаимодействует. В присутствии указанных добавокактивизаторов ангидрит приобретает способность к взаимодействию с водой и
твердению.
Ангидритовое вяжущее в отличие от низкообжиговых гипсовых при
твердении в объеме не увеличивается. Водопотребность и водоудерживающая
способность зависят от тонкости помола, для получения теста нормальной густоты
необходимо обычно 30–35 % воды.
Ангидритовые вяжущие применяют при устройстве бесшовных полов, в
растворах для штукатурки (в том числе наружной), для изготовления
искусственного мрамора.

21.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают путем обжига
природного гипсового камня при 800...1000 °C с последующим
измельчением продукта.
Отличительной особенностью высокообжигового гипса по
сравнению с ангидритовым цементом является способность его
твердеть при отсутствии катализаторов.
Высокообжиговый гипс характеризуется высоким
сопротивлением истиранию, поэтому его применяют как материал для
устройства бесшовных полов.
Он получил применение в растворах для кирпичной
кладки, для штукатурных работ, а также для производства изделий
из искусственного мрамора.
Состав эстрих-гипса: - нерастворимый ангидрит – 75-85%; окись кальция – 2-4%; - глинистые примеси – не более 7-10%;
сернистого кальция – не более 0,1%.
Начало схватывания не ранее 2 часов, конец 12 часов.

22.

Строительной воздушной известью называется продукт умеренного
обжига известковых и известково-магнезиальных карбонатных пород (чистых или
доломитизированных известняков), содержащих до 8 % примесей.
Продуктом обжига является комовая негашеная известь (кипелка), которая
состоит примущественно из CaO.
Различают следующие виды воздушной извести:
1) негашеную известь молотую, получаемую механическим измельчением комовой
извести (кипелки). Ее состав представлен в основном CaO;
2) известь гидратную (пушонку), которую получают гашением комовой известикипелки ограниченным количеством воды для перехода ее в порошкообразное
состояние; по химическому составу она представляет собой гидрат окиси кальция
Ca(OH)2;
3) известковое тесто — продукт гашения комовой извести-кипелки избыточным
количеством воды. Известковое тесто состоит в основном из 50 % Ca(OH)2 и 50 %
воды;
4) известковое молоко, состоящее приблизительно из 25 % Ca(OH)2
и 75 % воды.

23.

Классификация воздушной извести

24.

Производство извести

25.

Сырьем для производства кипелки служат
известково-магнезиальные карбонатные породы осадочного
происхождения — известняки, мел, доломитизированные
известняки, доломиты и др. В состав этих пород входит углекислый кальций (CaCO3) и примеси.
Обжиг извести. Основной технологической операцией
при производстве извести является обжиг. При этом протекают
сложные физико-химические процессы, определяющие качество
конечного продукта.
Целью обжига является:
-возможно более полное разложение CaCO3 и CaCO3∙MgCO3 на
CaO, MgO и CO2 ;
-получение продукта высокого качества с оптимальной
микроструктурой частиц и их пор.
При воздействии на известняк высокой температуры
происходит разложение углекислого кальция по формуле:
CaCO3 → CaO + CO2

26.

Шахтная печь для
обжига извести:
1 — шахта печи;
2 — механизм для
подачи известняка и
топлива;
3 — зона подогрева;
4 — зона обжига;
5 — зона охлаждения;
6 — подача воздуха;
7 — разгрузочный
механизм

27.

Качество воздушной извести оценивается по разным показателям,
основным из которых является активность извести — содержание в ней
свободных оксидов кальция и магния.
Активность высококачественных сортов маломагнезиальных известей
достигает 93...97 %.
Под скоростью гашения при стандартном лабораторном испытании
понимают продолжительность периода с момента затворения комовой извести
водой до приобретения тестом максимальной температуры.
По продолжительности процесса гашения различают известь
воздушную:
– быстрогасящуюся — со сроком гашения до 20 мин;
– медленногасящуюся — со сроком гашения более 20 мин.
Максимальная температура при гашении комовой извести (кипелки)
также может быть различной.
По этому показателю воздушную известь можно условно разделить на:
низкоэкзотермичную, с максимальной температурой при гашении более 70 °C;
высокоэкзотермичную, максимальная температура при гашении которой 70 °C
и выше.

28.

Твердение воздушной извести
В зависимости от вида извести и условий, в которых протекает процесс ее
твердения, различают три вида твердения:
- карбонатное;
- гидратное;
- гидросиликатное.
Карбонатное твердение складывается из двух одновременно протекающих
процессов:
1) испарение физически связанной воды и постепенная кристаллизация
Ca(OH)₂ из насыщенного водного
2) образование карбоната кальция по реакции:
Са(ОН)₂ + СО₂ + nН₂О = СаСО₃ + (n+1) Н₂О
Гидратным твердением называют процесс постепенного превращения в
твердое камневидное тело известковых смесей на молотой негашеной извести,
в результате взаимодействия извести с водой и образования Ca(OH)₂.

29.

Условия, способствующие гидратационному твердению:
- быстрый и равномерный отвод выделяющегося при твердении тепла,
- использование форм, не допускающих увеличения объема твердеющей массы,
- введение добавок типа СДБ, замедляющих процесс гидратации.
Гидросиликатное твердение обусловлено химическим взаимодействием между
известью и кремнеземом (песком) с образованием гидросиликатов кальция.
Са(ОН)2 + SiО2 → pСаО×SiO2×nН2О
Твердение известково-кремнеземистых материалов в условиях термообработки
паром в автоклавах (9-16 атм, 174,5-200° С) является следствием ряда сложных
физико-химических процессов, проходящих в три стадии:
1) образование кристаллических зародышей гидросиликатов, рост кристаллов и
увеличение их числа без срастания;
2) формирование кристаллического сростка;
3) разрушение (ослабление) сростка вследствие перекристаллизации контактов
между кристаллами.

30.

Применение строительной извести.
Строительную воздушную известь применяют для получения:
• штукатурных и кладочных растворов (гашеная известь);
• местных известковых вяжущих веществ, низкомарочных
бетонов и изделий из них, эксплуатируемых в воздушно-сухих
условиях (на основе негашеной молотой извести);
• известково-песчаных (силикатных) изделий автоклавного
твердения – силикатного кирпича, ячеистых силикатных
бетонов (на основе гашеной и негашеной молотой извести).

31.

Магнезиальные вяжущие– это тонкие (тонкомолотые) порошки, главной
основой которых является оксид магния MgO. Это каустический магнезит и
каустический доломит.
Сырьё: Магнезит MgCO3 и доломит CaCO3+MgCO3.
Обжиг магнезита производится при t=50-800°С (во вращающихся печах до
1000 °С) до полного разложения MgСОз на MgO и СО2 с удалением
углекислого газа.
Обжиг доломита производят при t=650-750 °С.
Отличительные особенности магнезиальных вяжущих.
Затворяются не водой, а водным раствором солей. Такое затворение этих
вяжущих ускоряет процесс твердения и значительно повышает твёрдость;
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);
Органические заполнители не гниют в магнезиальных вяжущих веществах.

32.

Магнезиальные вяжущие вещества применяют для
изготовления штукатурок, искусственного мрамора,
лестничных ступеней, а также фибролита-стенового
материала, на основе магнезиальных вяжущих и древесных
волокон или стружек, и ксилолита, включающего мелкий
древесный заполнитель (опилки) и магнезиальный цемент.

33.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра технологии строительных материалов и метрологии
Автор:
Иванова Татьяна Александровна, Колесникова Людмила Григорьевна
[email protected]