3. Минеральные вяжущие вещества

Вяжущими эти вещества называют за способность с небольшим количеством воды образовывать пластичное тесто, связывающее в единый материал все сыпучие компоненты, и постепенно затвердевающее в камень.

Важнейшим условием проявления вяжущих свойств является высокая степень измельчения материала, так как минеральные порошки вступают во взаимодействие с водой только на поверхности раздела жидкой и твёрдой фаз. Скорость твердения будет тем выше, чем больше величина поверхности раздела, т.е. выше дисперсность порошка. Тонкое измельчение является необходимым условием для вяжущих веществ. Например, размер частиц цемента на 60-80% составляет от 1 до 40 мкм.

Характерным для вяжущих является:

1) - невысокая растворимость в воде, поэтому реакция взаимодействия с водой начинается на твёрдой частичке вяжущего, а так как частиц много, площадь поверхности, контактирующей с водой, велика;

2) - гидрофильность поверхности порошка, необходима для хорошего смачивания порошка и образования однородного пластичного теста с полярными группами (анион-катион);

3) - поляризация ионов, способствующая химическому взаимодействию с водой (гидратации), образованию гидратов, занимающих больший объём, чем исходный порошок и потому уплотнению и затвердеванию смеси.

Вяжущие обладают избытком свободной энергии, при их гидратации происходит снижение свободной энергии, поэтому образующиеся гидраты более устойчивы. Силы взаимодействия между частичками зависят от расстояния между ними, т.е. от количества воды затворения. Чем тоньше частички, тем сильнее капиллярные силы, удерживающие частички поверхностным натяжением воды.

По условиям твердения и водостойкости затвердевшего камня минеральные вяжущие вещества подразделяют на воздушные и гидравлические.

К воздушным относят вяжущие, способные затвердевать и набирать прочность только на воздухе. Изделия на воздушных вяжущих теряют прочность при намокании, поэтому их используют только в сухих помещениях (воздушная известь, гипс, магнезиальное вяжущее).

К гидравлическим вяжущим относят минеральные порошки, способные после смешивания с водой затворения твердеть и набирать прочность как в воздушных условиях, так и в воде. К гидравлическим относят портландцемент, смешанные цементы на его основе, сульфатостойкий, глинозёмистый и белый цементы.

И воздушные и гидравлические вяжущие получают в основном из мономинеральных горных пород. Минералы в природе подвержены всем метеорологическим воздействиям и не реагируют на дождь или снег, они инертны. Чтобы их активировать, надо разрушить их кристаллическую решётку, увеличить удельную поверхность, передать им энергию, поляризовать. Для этого разработана технологическая переработка горных пород, главными операциями в которой являются процессы термической обработки (обжиг, варка, запаривание) и тонкий помол (диспергация).

Механизм активации веществ проходит по трём схемам:

а) при обжиге или варке происходит удаление веществ из кристаллической решётки минерала. Эти реакции эндотермические, идут с поглощением энергии. Отдав газ или воду, под воздействием этой энергии минералы изменяют химический состав, становятся энергетически неуравновешенными, так как они получены и стабильны при высокой температуре. При нормальной температуре только после взаимодействия с водой или химическим раствором, вяжущее вещество приходит в равновесное состояние, насыщая кристаллическую решётку гидратами;

б) при обжиге до появления расплава, когда при высокой температуре плавления происходят гетерогенные реакции обмена, образования новых минералов с другими свойствами, новых фаз, отсутствующих в составе до плавления;

в) при измельчении веществ, когда повышается их удельная поверхность вместе с передачей энергии и образованием дополнительных центров активизации на кристаллической решётке диспергированного вещества. Чем выше удельная поверхность, тем больше избыток свободной энергии.

Механизм твердения вяжущих веществ

Главным свойством вяжущих является способность к самопроизвольному твердению, т.е. к превращению пластичного теста в камневидное тело. Процесс твердения разделяют на две стадии: схватывание и твердение. Схватывание начинается от момента потери тестом пластичности до момента отвердевания. Сроки схватывания определяют на приборе Вика с помощью иглы, опускаемой в тесто, они характеризуют начало процесса структурообразования в вяжущем тесте. Минеральные вяжущие вещества имеют невысокую растворимость в воде (от 0,1 до 3,0 г/л), но и она в несколько раз выше, чем растворимость продуктов их твердения. Вода затворения после смешивания с вяжущим становится насыщенным раствором по отношению к вяжущему и пересыщенным – к продуктам гидратации. Продукты гидратации из пересыщенного раствора кристаллизуются в межзерновом пространстве. Постепенным наполнением и переплетением кристаллогидратов объясняется нарастание прочности во времени. Вяжущее, гидратируясь, переходит в твёрдый камень.

Процесс твердения объясняет теория академика Байкова. Вяжущее после соединения с водой проходит три физико- химические стадии реакции:

1 – стадия растворения, образования насыщенного водного раствора;

2 – стадия коллоидации – начальный период схватывания. Образуются гидраты, составляющие пересыщенный раствор. Когда воды становится меньше, начинается коагуляция – объединение коллоидных новообразований во флоккулы (сгустки), структурирующие смесь. По мере гидратации цементных зёрен частиц коллоидного размера (продуктов гидратации) становится всё больше, водные промежутки между частицами превращаются в тончайшие плёнки, вода становится неподвижной и формируются мицеллы, где вода обладает зарядом, она энергетически связана. Вода становится упругой и стягивает частицы, ионы воды электрически ориентированы. Такая вода называется адсорбционно-связанной. Цементное тесто теряет пластичность.

3 – схватывание заканчивается и постепенно наступает стадия кристаллизации – твердения, когда новые порции гидрата дополняют начальную структуру, уплотняя и упрочняя её. Постепенно увеличивающиеся кристаллогидраты сближаются, срастаются и переплетаются. Коагуляционная структура переходит в кристаллизационную, способную воспринимать механические нагрузки.