14. Основы химии вяжущих материалов

Вяжущие – это искусственно полученные материалы, способные образовывать пластическую массу, которая легко превращается в искусственный камень.

Вяжущие разделяют на органические и неорганические. Органические вяжущие – это высокомолекулярные соединения, переход которых в пластическое состояние осуществляется либо при нагревании, либо растворением в органических растворителях.

Переход неорганических вяжущих в пластическое состояние достигается добавлением (затворением) воды, например:

порошок вяжущего пластическая масса → искусственный камень

По условиям твердения и водостойкости продуктов твердения неорганические вяжущие разделяют на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие способны затвердевать и максимально сохранять свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим относятся гипсовые, известковые, магнезиальные и щелочно-силикатные вяжущие. Гидравлические вяжущие могут затвердевать как на воздухе, так и в воде (после стадии начального твердения – схватывания), сохраняют прочность на воздухе и под водой. К ним относятся портландцемент, глиноземистый цемент.

Воздушные вяжущие

Гипсовые вяжущие. Исходным сырьем для получения гипсовых вяжущих являются природный гипс CaSO₄∙2H₂O и фосфогипс – промышленные отходы производства фосфорной кислоты и фосфорных удобрений, содержащие CaSO₄∙2H₂O.

Двуводный гипс CaSO₄∙2H₂O частично обезвоживают при температуре 120-170 ⁰С и получают полуводный строительный гипс CaSO₄∙0,5H₂O:

CaSO₄∙2H₂O → CaSO₄∙0,5H₂O + 1,5Н₂О

CaSO₄∙2H₂O устойчив к действию воды, а CaSO₄∙0,5H₂O обладает избыточной внутренней энергией и способен взаимодействовать с водой. Будучи замешан с водой полуводный гипс довольно быстро затвердевает, с началом схватывания не ранее, чем через 2 мин, и концом не позднее, чем через 15 мин и снова превращается в CaSO₄∙2H₂O.

Гипсовые вяжущие применяются для изготовления гипсовых, гипсобетонных и и гипсокартонных изделий: перегородок, панелей, внутренних стен; сухих гипсовых штукатурных смесей и т.д.

Известковые вяжущие. Сырьем для получения известковых вяжущих являются мел, известняк, доломит (CaCO₃, MgCO₃), отходы мраморного производства. Обжиг известняка, состоящего в основном из карбоната кальция

СаСО₃, проводят при 900 – 1200 ⁰С по реакции:

СаСО₃ = СаО (негашеная известь) + СО₂↑, ∆Н⁰ = 179 кДж

Гашение извести протекает по реакции

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ (гашеная известь), ∆Н⁰ = -65,3 кДж

Гашеная известь, приготовленная с определенным количеством воды, представляет собой пасту. Замешанная с песком она образует известковый раствор, который используется для штукатурных работ, а также для скрепления кирпичей при кладке стен. Затвердевание извести происходит сначала из-за испарения воды и кристаллизации Са(ОН)₂, а затем в результате поглощения гашеной известью углекислого газа из воздуха (через годы)

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О;

Очень медленно (десятилетиями) идет реакция образования силиката кальция:

Са(ОН)₂ + SiO₂ = CaSiO₃ + H₂O

Добавление песка необходимо для уменьшения усадки, удешевления смеси и улучшения твердения извести (облегчает доступ СО₂ внутрь связующего).

Если гашение извести производится малым количеством воды, то Са(ОН)₂ получается в порошкообразном виде (пушонка) и не обладает свойством вяжущей пасты даже при дальнейшем добавлении воды. Известь, погашенная слишком большим количеством воды, Са(ОН)₂ также не обладает вяжущим действием.

Магнезиальные вяжущие – это измельченный оксид магния MgO. Его получают обжигом (при 750 – 850⁰С) магнезита:

MgCO₃ → MgO + CO₂↑

Специфика магнезиальных вяжущих веществ состоит в том, что они затворяются не водой, а концентрированными растворами солей магния, например MgCl₂. Смесь MgO и MgCl₂ через некоторое время затвердевает, превращаясь в плотную белую, легко полирующуюся массу (магнезиальный цемент). Затвердевание можно объяснить тем, что основная соль, первоначально образующаяся по уравнению MgO + MgCl₂ + H₂O = 2MgOHCl,

затем полимеризуется в цепи −Mg−O−Mg−O−Mg−, на концах которых находятся атомы хлора или гироксильных групп.

Смесь магнезиального цемента с древесными опилками под названием ксилолита используют для покрытия полов.

Щелочно-силикатные вяжущие – это растворимое стекло. Получают сплавлением кварцевого песка с содой по реакции:

Na₂CO₃ + 3SiO₂ → CO₂↑ + Na₂O∙3SiO₂

Жидкое стекло (водный раствор растворимого стекла) обладает свойством твердеть на воздухе, т.к. в результате гидролиза Na₂SiO₃ образуются поликремневые кислоты, обладающие вяжущими свойствами:

Na₂O∙3SiO₂ + 6H₂O + CO₂ → Na₂CO₃ + 3(SiO₂∙2H₂O)

Вследствие этого жидкое стекло применяется в качестве связующего вещества для укрепления грунтов при строительных работах, строительстве автострад и шоссейных дорог, для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, керосинонепроницаемых штукатурок по бетону, пропитывания тканей, дерева, бумаги с целью предания им водонепроницаемости и огнестойкости.