Химия (стр. 8 )

Воздушные вяжущие - те, которые после замешивания с водой твердеют на воздухе, и продукты твердения которых недостаточно стойки по отношению к воде. К ним относятся воздушная известь, гипсовые вяжущие, магнезиальные вяжущие.

Гидравлические вяжущие- после замешивания с водой и начального твердения на воздухе могут в дальнейшем твердеть и под водой и продукты их твердения стойки по отношению к воде. К ним относятся портландцемент (силикатный цемент), глиноземистый цемент и их производные.

10.2.2 Физико-химические свойства вяжущих.

Процесс взаимодействия вяжущего с водой является гетерогенным, полнота и скорость его протекания зависят от величины поверхности соприкосновения фаз, а поэтому все вяжущие (кроме воздушной извести) перед затворением водой измельчают. Так, в цементе 60-80% частиц имеют размеры от 1до 40 мк.

Вяжущие вещества при затворении водой образуют практически однородную пастообразную массу, называемую вяжущим тестом. Вяжущее тесто пластично, под действием внешних механических воздействий может деформироваться без нарушения сплошности. Причины, обуславливающие пластичность вяжущего теста, связаны с особыми свойствами мономолекулярных слоев воды, прилегающих к поверхности твердых частиц. Все строительные вяжущие получаются при высоких температурах, а перед затворением измельчаются, по этим причинам они обладают высокоразвитой поверхностью с большим запасом поверхностной энергии, за счет которой частицы вяжущего притягивают молекулы воды и определенным образом ориентируют их в прилегающем слое (см. нижеприведенную схему):

 

2 2

 

1

2

1-твердая частица

2-мономолекулярный слой воды.

Рисунок 2- Схема затворения неорганических строительных вяжущих.

Вода в таких монослоях выполняет двоякую функцию:

С одной стороны, перекрывание гидратных слоев обеспечивает сплошность цементного теста (здесь вода – связующее), с другой стороны, за счет одинаковой ориентации молекул по отношению к поверхности твердых частиц сближение одинаковых полюсов молекул приводит к их отталкиванию, что обеспечивает возможность скольжения твердых частиц друг относительно друга, отсюда пластичность теста (здесь вода выполняет роль смазки).

10.2.3 Теория твердения строительных вяжущих.

Теория твердения строительных вяжущих разработана академиком в 1923 г. Согласно этой теории весь процесс твердения подразделяется на три периода.

Первый - подготовительный период (или период насыщения), в нем происходит растворение частиц вяжущего с поверхности с образованием насыщенных растворов веществ, входящих в состав вяжущего, одновременно происходит гидратация этих соединений. Например, при взаимодействии с водой строительного гипса одновременно с растворением идет процесс гидратации по схеме:

CaSO4* 0.5 H2O +1.5 H2O CaSO4*2 H2O

Второй период – период коллоидации, суть его состоит в том что растворимость гидратных образовний меньше растворимости безводных или малогидратированных, так, растворимость CaSO4*2 H2O в пять раз меньше растворимости CaSO4*0.5 H2O, поэтому раствор, насыщенный относительно безводных соединений, является пересыщенным по отношению к гидратным. Пересыщенное состояние неустойчиво, избыток растворенного вещества выделяется из раствора в виде геля. Происходит схватывание вяжущего теста.

Третий период – кристаллизации, в котором происходит дегидратация гелей за счет усваивания воды еще не прореагировавшими частицами и испарение избыточной воды. В этом периоде и происходит собственно твердение, вяжущее тесто превращается в твердое камневидное тело.

Перечисленные периоды не происходят в строгой хронологической последовательности, а могут налагаться один на другой.

Любое воздействие, тормозящее или ускоряющее одну из трех стадий, будет влиять на скорость твердения в целом. Введение добавок, дающих труднорастворимые соединения с продуктами растворения вяжущего, приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации и тоже ускорит процесс твердения.

В случае необходимости увеличения сроков схватывания, вводятся замедлители схватывания – животный клей, сульфитно-спиртовая барда, казеин. Эти поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхности твердых частиц вяжущего, изолируют их от воды и замедляют период насыщения.

10.2.4 Воздушные вяжущие.

10.2.4.1 Известь.

Сырьем для получения извести служат известняки и доломиты (CaCO3*MgCO3). Свойства получающейся извести зависят от количества глинистых примесей в исходном сырье. Основной компoнент глинистых примесей – каолинит (Al2O3*2SiO2*2H2O). При обжиге сырья претерпевают изменения и карбонаты кальция и магния и каолинит:

CaCO3 t=900*C CaO + CO2 (10.1)

негашеная

известь

Al2O3*2SiO2*2H2O t= 400-800*C Al2O3 + 2SiO2 + 2H2O (10.2)

CaO – основной оксид, реагируя с Al2O3 и SiO2 , он дает силикат кальция 2CaO*Al2O3. Силикат и алюминат кальция являются примесями в обоженном продукте, и от содержания этих примесей известь будет или воздушной, или гидравлической.

Воздушная известь: CaO + MgO (составляют 90-95%) плюс силикат кальция и алюминат кальция (составляют 5-10%).

Гидравлическая известь: СаО + МgO (составляют 20-30%) плюс силикат кальция и алюминат ( составляют 70-80 %).

Взаимодействовать с водой (гасится) может только воздушная известь:

CaO + H2O = Ca (OH)2 +6503 кДж/моль. (10.3)

Воздушная известь применяется в смеси с песком в кладочных и штукатурных строительных растворах и для побелки.

10.2.4.2 Строительный гипс.

Сырьем для получения служит природный гипс CaSO4*2H2O. При умеренном нагревании природного гипса (107-180*С) он теряет три четверти кристаллизационной воды и получается строительный гипс CaSO4*0.50 H2O. При затворении водой происходит обратный процесс. Строительный гипс - быстродействующее вяжущее, поэтому при его использовании часто применяют замедлители схватывания.

При нагреве природного гипса до t= 650-700*С получают ангидритовое вяжущее (безводный CaSO4), которое твердеет очень медленно и требует добавления ускорителей твердения.

10.2.5 Гидравлические вяжущие.

10.2.5.1 Портландцемент.

Сырьем для его получения является смесь: известняк плюс глина в соотношении 3:1 или же мергели (известняк с содержанием глины>20%). В результате термической обработки сырьевой смеси происходит разложение известняка и глин и взаимодействие продуктовых разложения. Процесс ведется при высоких температурах (до 1450*С), из печи выходит зернистая спеченная масса (клинкер).

Таблица 1 – Минералогический состав цементного клинкера.

Наименование минерала	Формула	Содержание, %
Трехкальциевый силикат	3CaO*SiO2	40 - 65
Двухкальциевый силикат	2CaO*SiO2	15 - 40
Трехкальциевый алюминат	3CaO*Al2O3	5 - 10
Четырехкальциевый алюмоферрит	4CaO*Al2O3*Fe2O3	10 - 20

При затворении портландцемента водой происходит следующий процесс:

3CaO*SiO2 + (n+1)H2O = 2CaO*SiO2*nH2O + Ca(OH)2 (10.4)

2CaO*SiO2 + nH2O = 2CaO*SiO2*nH2O (10.5)

3CaO*Al2O3 + 6H2O = 3CaO*Al2O3*6H2O (10.6)

4CaО*Al2O3*Fe2O3 + (m+6)H2O = 3CaO*Al2O3*6H2O

+ CaO*Fe2O3*mH2O (10.7)

10.2.6 Коррозия бетона.

Различают три вида коррозионных процесса в бетонах в зависимости от причин их вызывающих:

1-й вид: Разложение составляющих цементного камня водой и вымывание, образующейся при этом или уже ранее имевшейся гидроокиси кальция.

Этот вид коррозии бетона интенсивно идет в мягкой воде и в тонкостенных сооружениях.

2-й вид: Образование легкорастворимых соединений в результате взаимодействия составляющих цементного камня с веществами окружающей среды.

Из коррозионных процессов этого вида особое практическое значение имеет углекислотная и магнезиальная коррозия.

Углекислотная коррозия - имеет место, когда под действием воды, содержащей избыточный СО2 , происходит растворение карбонатной пленки по реакции:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca (HCO3)2 (10.8)

Магнезиальная коррозия происходит под действием солей магния, содержащихся в грунтовых и сточных водах. С солями магния реагируют прежде всего Ca (OH)2 и трехкальциевый гидроаллюминат, содержащиеся в цементном камне портландцемента:

Ca (OH)2 + MgCl2 = Mg (OH)2 + CaCl2 (10.9)

CaCl2 – хорошо растворимая соль, а Mg (OH)2 и Al (OH)3 – рыхлые, водопроницаемые осадки.

3-й вид : Образование в цементном камне соединений, имеющих больший объем, чем исходные продукты реакции. Наибольшее значение имеет сульфатная коррозия. Сульфат-ион встречается в большинстве природных вод, а также в сточных водах. Взаимодействуя с цементным камнем, вода постепенно насыщается сульфатом кальция:

Ca (OH)2 + SO42- = CaSO4 + 2 OH - (10.10)

Далее сульфат кальция взаимодействует с гидроалюминатом:

3CaO*Al2O3*6H2O+3CaSO4+(25-26)H2O=3CaO*Al2O3*3CaSO4(31-32)H2O (10.11)

высокосульфатный гидроалюминат кальция