13. Цемент, гипс: область применения, свойства.

Цементы были первыми связующими, примененными в 30-е годы для изготовления форм, отверждаемых на воздухе, т. е. для получения холоднотвердеющих смесей (ХТС). Цемент получают путем обжига при 1300–1450°С до спекания измельченных смесей природных пород известняка и глины или других минералов. Размолотый продукт обжига (клинкер) с небольшим количеством гипса и других добавок называют портландцементом. В настоящее время для приготовления ХТС, а также для изготовления моделей применяется цемент марок 400 и 500. Упрочнение форм основано на гидратации при взаимодействии с водой минералов цемента с образованием кристаллогидратов, которые, срастаясь, создают связи (каркас) между песчинками формовочной смеси. Реакция основной составляющей цемента (алита) с водой следующая: 2(3СаО ⋅ SiO2) + 6H2O → 3CaO ⋅ 2SiO2 ⋅ 3H2O + 3Ca(OH)2. На первой стадии происходит растворение и гидратация компонентов цемента. Образующиеся гидраты выпадают из пересыщенного раствора в виде кристаллов, и процесс их срастания (полимеризации) продолжается до тех пор, пока все связующее затвердеет. Поскольку растворение и гидратация идут медленно, добавляют ускорители твердения. Цементы по сравнению с жидким стеклом позволяют обеспечить лучшую выбиваемость смесей из отливок, так как при нагреве от отливки они дегидратируются и смеси разупрочняются. Для приготовления ХТС необходимо вводить 10–12% цемента и примерно такое же количество воды. Оптимальное водоцементное отношение в формовочной смеси – 0,7–0,8. однако процесс твердения цементов происходит медленно, иногда 2–3 суток. Прочность через 4 ч составляет 0,1–0,15 МПа. Поэтому ХТС с цементом применяют при изготовлении крупных отливок в единичном производстве. Более быстро твердеют глиноземистые цементы марок 400 и 500, содержащие трехкальциевый алюминат, пятикальциевый трехалюминат 5СаО⋅3Al2О3, однокальциевый алюминат СаО⋅Al2О3 и одно-кальциевый двухалюминат СаО⋅2Al2O3.

Недостатком цементов, как связующих, является снижение активности при длительном хранении вследствие образования гидратных оболочек на их частицах. Например, при применении цемента марки 400 после хранения его 5 мес. длительность твердения смеси увеличивается втрое. Активность верхнего слоя складируемого цемента снижается в несколько раз уже через 15 сут. Поэтому цемент надо хранить в сухом помещении в герметизированной таре.

Твердение ХТС ускоряется при совместном вводе глиноземистого цемента (50–60%) и портландцемента (40–50%) в результате химического взаимодействия между отдельными минералами цементов. Более существенное ускорение и повышение прочности достигается при добавке СаСl2, FeCl3, FeSO4 и совместно карбонатов и алюминатов щелочных металлов.

Для точного литья цветных металлов в формовочных смесях в ка­честве связующего применяют высокопрочный гипс. При гидротермальной обработке гипсового камня насыщенным водяным паром в закрытых аппа­ратах (автоклавах) образуется альфа-полугидрат (высокопрочный гипс), а в от крытых сосудах - бетта-полугидрат (строительный гипс). При смешивании по­рошкообразного гипса с водой образуется дигидрат CaSO₄H₂O - твердое камневидное вещество. Химическая реакция разложения гипса (двуводного сульфата кальция) теоретически протекает при температуре 107 °С.

В интервале температур 170 - 200 °С происходит дальнейшая потеря гипсом кристаллизационной воды, образуется так называемый растворимый ангидрит CaSO₄, активно соединяющийся с водой. При температуре 200 -400 °С происходит почти полное удаление из гипса кристаллизационной воды. Образуется смесь нерастворимого и растворимого ангидрита. При температуре выше 450 °С гипс переходит в намертво обожженный гипс -ангидрит CaSO₄. При температурах 750 - 800 °С образуется эстрих-гипс.

После смешивания порошкообразного гипса с водой и образования камневидного тела прочность гипса достигает максимума при высушивании его до постоянной массы. Замедление схватывания гипса может быть до­стигнуто введением гашеной извести в количестве I - 2%, а также борной кислоты 1,0 - 1,5 % и других соединений.