Вяжущими веществами называют материалы, способные в определенных условиях образовывать пластично-вязкое тесто, которое самопроизвольно или под действием определенных факторов с течением времени затвердевает. Переходя из пластично-вязкого состояния в камневидное, вяжущие вещества могут скреплять между собой зерна песка и гравия, кирпич, блоки; кроме того можно получать искусственный камень заданной формы. В наше время известна широкая гамма разнообразных вяжущих веществ, которые широко применяются в строительстве.
* В зависимости от природы они подразделяются на две группы:
Таблица 1
| 1. Неорганические вяжущие | |
|
Воздушного твердения
|
Воздушная известь |
| Строительный гипс | |
| Магнезиальные вяжущие | |
|
Гидравлического твердения |
Портландцемент |
| Глиноземистый цемент | |
| Романцемент | |
|
Автоклавного твердения |
Известково-кремнеземистые вяжущие |
| Известково-нифелиновые вяжущие | |
| Песчанистый портландцемент | |
| 2. Органические вяжущие | |
| Битумы | |
| Асфальты | |
| Полимеры | |
| Клеи | |
Неорганические строительные вяжущие вещества — порошкообразные материалы — для перевода в рабочее состояние затворяют водой, реже водными растворами солей.
Органические вяжущие переводят в рабочее состояние нагревая их или смешивая с органическим растворителем.
* Важным показателем вяжущих является их отношение к воздействию воды. По этому признаку их делят на воздушные и гидравлические:
— воздушные вяжущие способны твердеть и длительно сохранять прочность только в воздушной среде;
— гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.
Вяжущие автоклавного твердения способны твердеть только в среде насыщенного водяного пара при температуре 150-200 ºС и повышенном давлении (в автоклаве).
* Вяжущие вещества различают по скорости твердения:
— быстротвердеющие имеют период полного твердения до 3-х суток (строительный гипс, магнезиальный цемент);
— медленнотвердеющие – более 3-х суток (воздушная известь, портландцемент и др.).
Итак, в процессе работы с вяжущими веществами различают стадии:
1) затворение – приведение вяжущего в рабочее состояние;
2) схватывание — вяжущее теряет свои пластично-вязкие свойства:
А) начало схватывания характеризуется потерей тестом пластичности,
Б) конец схватывания – момент, когда тесто превращается в твердое тело, но не имеет еще значимой прочности. У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания отсутствует.
3) полный набор прочности.
Рассмотрим, какие превращения имеют место в процессе твердения некоторых вяжущих веществ.
I.2. Воздушные вяжущие вещества
I.2.I. Строительный гипс
Строительный (полуводный) гипс CaSO4 · 0,5 H2 O получается из природного (двуводного) гипса СаSO4 · 2H2O путем нагревания при температуре 150-170°С. При этом происходит частичная дегидратация:
СаSO4 · 2H2O ↔ CaSO4 · 0,5 H2O + 1,5 H2O
Полученный полуводный гипс измельчается до порошкообразного состояния и при замешивании с водой подвергается гидратации при обычной температуре:
CaSO4 · 0,5 H2O + 1,5 H2O = CaSO4 ·2 H2O
Эта реакция протекает быстро и с выделением тепла, т.к. при обычных условиях двуводный гипс является более устойчивой формой, чем полуводный. Поэтому храниться гипс должен изолированно от внешних воздействий.
Процесс гидратации строительного гипса лежит в основе его твердения. Сложный физико-химический процесс твердения, согласно теории А.А.Байкова, слагается из трех стадий.
Первая стадия – стадия затворения (растворения и гидратации). На данной стадии происходит первоначальное взаимодействие порошкообразного вяжущего с водой с образованием насыщенного раствора полуводного гипса (растворимость которого 10 г/л). Полуводный гипс быстро гидратируется и переходит в двуводный, обладающий в 5 раз меньшей растворимостью (2 г/л). Вследствие этого CaSO4 · 2 H2O выделяется в виде мельчайших, постепенно растущих кристаллов в микродисперсном состоянии. Это состояние неустойчиво и непродолжительно, т.е. затворенная масса сохраняет пластичность на непродолжительный срок.
Вторая стадия – стадия схватывания, характеризуется прогрессирующей кристаллизацией двуводного гипса, выделением новых кристаллов, переплетающихся между собой. Жидкая фаза запустевает, ее подвижность Схватившаяся влажная масса не обладает еще заметной прочностью и при механическом воздействии вновь разжижается (тиксотропия).
Третья стадия – стадия твердения. На этой стадии наблюдается рост прочности массы. Влажная кристаллическая масса при хранении на воздухе высыхает. Эта стадия более длительная, чем стадия схватывания.
- Воздушная известь
Воздушная известь получается путем обжига известняка, ракушечника и других природных материалов, содержащих карбонат кальция. Главной составной частью обожженного материала является безводная окись кальция – СаО («негашеная известь»):
СаСО3 900-1000°С СаО + СО2
Перед употреблением извести в качестве вяжущего ее гасят. При этом протекает следующая реакция:
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 15,5 ккал (64,8 кДж)
Свойством извести «гаситься» пользуются для превращения ее в дисперсное состояние. Известь является медленнотвердеющим вяжущим. В строительстве часто применяется в смеси с песком (1 часть извести на 3 части песка), которая называется известковым раствором.
Процесс твердения воздушной извести заключается в следующем: испаряющаяся с поверхности известкового теста влага способствует выделению Са(ОН)2 в кристаллическом состоянии как внутри, так и на поверхности теста. Находящийся на поверхности Са(ОН)2 поглощает из воздуха углекислый газ СО2, происходит очень медленное образование карбоната кальция СаСО3, называемое реакцией карбонизации, которая может протекать многие годы:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 +Н2О + 17 ккал (71,16 кДж).
СаСО3 – соединение, почти нерастворимое в воде. Из насыщенной жидкой фазы известкового теста, вследствие малой растворимости, выделяется Са(ОН)2 и СаСО3 сначала в коллоидном, затем в кристаллическом состоянии. За счет кристаллизации идет нарастание прочности известкового теста и превращение его в камневидное тело.
Таким образом, к получению твердого продукта приводят процессы гелеобразования, кристаллизации и карбонизации.
1.2.3. Магнезиальные вяжущие вещества
Магнезиальные вяжущие вещества получают при обжиге магнезита (МgCO3) или доломита (MgCO3 ·CaCO3):
MgCO3 → MgO + CO2
Получившийся обожженный магнезит называют каустическим магнезитом или магнезиальным вяжущим. Затворяются магнезиальные вяжущие насыщенными растворами хлорида или сульфата магния:
MgO + MgCl2 + H2O = 2MgOHCl
Это упрощенная схема твердения магнезиальных вяжущих. Чаще состав затвердевающих продуктов представляют формулой
xMgO · yMgCl2 · H2O.
Магнезиальные вяжущие имеют сроки схватывания от 20 минут до
6 часов. Хорошо соединяясь с древесно-волокнистыми материалами, позволяют готовить на их основе ксилолит (наполнитель – опилки) и фибролит (наполнитель – стружки). Ксилолит и фибролит – хорошие тепло- и звукоизоляционные материалы.