Минеральные вяжущие вещества воздушного твердения

1. Определение и классификация вяжущих веществ

Наиболее общим признаком вяжущих веществ является их способность затвердевать и связывать или склеивать разнородные компоненты. Поэтому вяжущими в строительстве принято называть вещества (системы), обладающие способностью соединять (скреплять) в единые конгломераты различные по природе и дисперсности порошкообразные, зернистые, волокнистые и другие компоненты и образовывать материалы с совершенно новыми, присущими им свойствами (бетоны, строительные растворы), а также связывать между собой и с обрабатываемой поверхностью другие строительные материалы и изделия. В зависимости от химического элементного состава они подразделяются на минеральные (неорганические) и органические.

К минеральным вяжущим веществам относят тонкоизмельченные порошкообразные материалы (за исключением растворимого стекла) со специальными вещественным и химико-минералогическим составами, способные при смешивании в определенных соотношениях с водой или другими жидкостями (водными растворами солей) образовывать пластичную массу (тесто), постепенно принимая камневидное состояние, т.е. терять пластичность (схватываться) и затвердевать. Жидкости (преимущественно вода), образующие с минеральными вяжущими самотвердеющие композиции, называют жидкостями затворения (водой затворения, затворителем). Процесс перехода вяжущих веществ из пластичного состояния в твердое (камневидное) называется процессом твердения. Происходит твердение в результате очень сложных химических, физико-химических и физических процессов между вяжущим веществом или составляющими вяжущего вещества (вяжущей системой) и водой. Схватывание и твердение минеральных вяжущих на практике характеризуют как проявление вяжущих свойств. Но вяжущие свойства таких веществ могут реализоваться только в сочетании с затворителем (водой). Кроме того, значимыми являются параметры окружающей среды (температура, давление) и химический состав.

В зависимости от условий твердения и сохранения длительное время камневидного состояния (прочности) минеральные вяжущие вещества подразделяются на воздушные, гидравлические и автоклавного (гидротермального) твердения.

Воздушные вяжущие вещества могут твердеть и длительно сохранять или повышать прочность после затворения только на воздухе без контакта с водой, т.е. в воздушно-сухих условиях. В условиях повышенной влажности их твердение замедляется или совсем прекращается, а прочность затвердевших изделий снижается. Поэтому применяют их только в надземных сооружениях, не подвергающихся воздействию воды. По своему химическому и минералогическому составу они являются сравнительно простыми веществами и состоят, как правило, из одного соединения. Например, гипсовые вяжущие – СaSO₄ · 0,5H₂O, известь – CaO, жидкое стекло – Na₂O · nSiO₂, или K₂O · nSiO₂. К воздушным вяжущим относят магнезиальные и гипсовые вяжущие, воздушную известь, жидкое стекло, кислотоупорный цемент. Древнейшим воздушным вяжущим веществом является глина.

2. Магнезиальные вяжущие

Общие сведения. К магнезиальным вяжущим относят каустический магнезит и каустический доломит, изобретенные французским инженером С. Сорелем в середине ХIХ в. Такие вяжущие называют еще цементом Сореля. Особенностью магнезиальных вяжущих является то, что они затворяются не водой, а водными растворами солей. При затворении таких вяжущих водой получаются материалы небольшой прочности. Кроме того, характерной особенностью магнезиальных вяжущих является повышенная прочность сцепления с минеральными и особенно органическими заполнителями (опилками, стружками, древесной шерстью). Органические заполнители в такой среде не подвергаются разложению. Применяют магнезиальные вяжущие для изготовления различных камнеподобных материалов с заранее заданными свойствами под общим названием «магнолит» – ксилолита, фибролита, теплоизоляционных материалов, штукатурных растворов, искусственного мрамора и ряда других изделий.

Каустический магнезит получают умеренным обжигом при температуре 750…850 °С горной породы магнезита (МgСО₃) до полного разложения ее в оксид магния (МgО) с последующим измельчением в тонкий порошок белого или желтоватого цвета (ГОСТ 1216). Помол осуществляется в шаровой мельнице с сепаратором. Качество каустического магнезита в значительной степени зависит от температуры и продолжительности обжига. В зависимости от содержания МgО и примесей каустический магнезит подразделяется на три класса (I, II и III) с содержанием соответственно МgО не менее 87, 83 и 75% и СаО не более 1,8; 2,5 и 4,5%.

Затворяют каустический магнезит чаще всего водными растворами хлористого магния (что способствует образованию гидрохлорида магния 3MgO · MgCl₂ · 6H₂O) или сернокислого магния, сернокислого железа и других солей. Поэтому схватывание и твердение такого вяжущего обусловлено в основном гидратацией оксида магния. Сроки схватывания зависят от температуры обжига и тонкости помола. Пережог и грубый помол замедляют, а более тонкий помол и умеренный обжиг ускоряют процесс схватывания каустического магнезита. Начало его схватывания должно наступать не ранее 20 мин, а конец схватывания – не позднее 6 ч. Каустический магнезит является быстротвердеющим вяжущим с высокой конечной прочностью: через сутки прочность растворов и бетонов достигает 35…50%, а через 7 сут – 60…90% наибольшего значения. Каустический магнезит делится на марки по прочности 400, 500 и 600.

Каустический магнезит при хранении довольно интенсивно поглощает влагу и углекислоту из воздуха. В результате образуется Mg(OH)₂ и MgCO₃. Поэтому хранить его надо в плотной герметической таре.

Каустический доломит получают обжигом при температуре 650…750 °С природного доломита (СаСО .МgCО ) с последующим измельчением в тонкий порошок до остатка на сите № 02 не более 5%. Однако с увеличением тонкости помола вяжущие свойства каустического доломита значительно улучшаются.

Из-за низкой температуры обжига доломита разлагается только МgСО₃ в оксид магния (МgО), а большая часть карбоната кальция остается неразложившейся, так как температура его разложения выше (около 900 °С). Поэтому реакционная активность каустического доломита ниже, чем магнезита, а следовательно, ниже и прочность (10…30 МПа). Начало схватывания наступает через 3…10 ч, конец – через 8…20 ч после затворения. Затворяют каустический доломит теми же растворами солей, что и магнезит.

Качество каустического доломита определяется, прежде всего, содержанием оксида магния и температурой обжига. В его составе должно находиться предельно возможное (не менее 15%) содержание оксида магния при минимальном количестве оксида кальция (не более 2,5%). При затворении каустического доломита растворами солей магния оксид кальция реагирует с ними, образуя хлористый или сернокислый кальций, что отрицательно отражается на качестве затвердевшего каустического доломита. Повышается гигроскопичность изделий и ухудшается их долговечность. Затвердевший каустический доломит, как и магнезит, неводостойкий материал и разрушается в воде вследствие вымывания из них растворимых солей (MgCl₂ и др.).

3. Растворимое стекло и кислотоупорный цемент

Жидкое (растворимое) стекло – это водный раствор силиката натрия (натриевой соли кремниевой кислоты). Оно известно с середины XVI в., но доступным для технического использования стало после работ А. Фукса (1818). Поэтому раньше его называли фуксовым стеклом.

В настоящее время жидкое стекло получают при сплавлении в стекловаренных печах при температуре 1300…1400 °С измельченного чистого кварцевого песка с содой (Na₂СО₃) или сульфатом натрия (Na₂SО₄). После охлаждения образующиеся куски стекла (силикат-глыбы) растворяют паром в автоклавах под давлением 0,6…0,8 МПа и температуре 150 °С до сиропообразной консистенции (рис. 1). В результате образуется вязкий раствор с истинной плотностью 1,40…1,55 г/см³, называемый натриевым жидким стеклом, способным в дальнейшем растворяться в воде и затвердевать на воздухе (ГОСТ 13078). Состав натриевого жидкого стекла выражается формулой Na₂O · nSiO₂ + mH₂O.

Рис. 1. Технологическая схема получения жидкого стекла

Качественной характеристикой жидкого стекла является силикатный модуль (отношение SiO₂/Na₂O), показывающий, сколько кремнекислоты приходится на единицу оксида натрия. Чем больше значение силикатного модуля, тем выше качество стекла. Численное значение модуля может находиться в пределах 2,2…3,5. Для строительных целей чаще всего используют стекло с модулем 2,6…2,8 при плотности 1,3…1,6 г/см³.

Значительно реже в качестве второго компонента используется поташ (К₂СО₃ – карбонат калия), и тогда получают калиевое жидкое стекло.

Калиевое жидкое стекло характеризуется значениями силикатного модуля 2,8…4,0 при плотности 1,25…1,40 г/см³. Оно более дорогое и применяется в основном для изготовления силикатных красок и клеящих составов. Калиевое стекло не дает на штукатурке и окраске высолов, чем выгодно отличается от натриевого жидкого стекла.

Жидкое стекло – воздушное вяжущее. Твердеет медленно, т.е. в результате слипания и уплотнения частиц свободного кремнезема при испарении воды и воздействии углекислого газа воздуха

Na₂SiO₂ + 2H₂O + CO₂ = Si(OH)₄ + Na₂CO₃.

Однако глубина проникания углекислоты воздуха сравнительно невелика и наблюдается только с поверхности. Ускорить процесс твердения и получить при этом водонерастворимые продукты реакции можно добавкой фторсиликата натрия Na₂SiF₆ (кремнефтористый натрий). На этом основано твердение кислотоупорного цемента.

В строительстве чаще всего используется натриевое жидкое стекло. Его применяют при изготовлении кислотоупорных и огнеупорных растворов и бетонов, огнезащитных красок и замазок, стабилизации грунтов и в других целях. Нельзя применять жидкое стекло для конструкций, подверженных длительному воздействию воды, щелочей и фосфорной, фтористо-водородной или кремнефтористо-водородной кислоты. К недостаткам жидкого стекла следует отнести склонность к замерзанию и короткие сроки хранения.

Кислотоупорный цемент (полное название – цемент кислотоупорный кварцевый кремнефтористый) получают из смеси, приготовленной путем совместного помола или тщательного перемешивания раздельно измельченных кварцевого песка и кремнефтористого натрия в соотношении 10 : 1, и затворенной водным раствором натриевого жидкого стекла. Вяжущим материалом в кислотоупорном цементе является жидкое стекло. Общее содержание оксида кремнезема (SiO₂) должно быть не менее 92%.

Твердеет такой цемент в воздушно-сухих условиях при положительной температуре (не менее +10 °С). Начало схватывания наступает в зависимости от содержания кремнефтористого натрия через 20…60 мин, конец схватывания – не позднее 6 ч. Через 28 сут прочность изделий на кислотоупорном цементе достигает 20…40 МПа.

Применяют кислотоупорный цемент для изготовления кислотостойких растворов, бетонов, замазок, обмазок, устройства кислотостойких полов. Изделия и конструкции из кислотоупорного раствора или бетона рекомендуется обрабатывать крепкой минеральной кислотой, например соляной, т.е. откисловать. В результате протекания химических реакций смесь уплотняется, обезвоживается и происходит образование твердого опаловидного кремнезема (SiО₂ · Н₂О). Прочность кислотоупорного бетона, обработанного концентрированной кислотой, достигает 50…60 МПа.

4. Гипсовые вяжущие

Сырье и производство. Гипсовыми вяжущими (ГОСТ 125, СТБ EN 13279) называют вещества, состоящие из полуводного гипса СаSO₄ · 0,5Н₂О или ангидрита СаSО₄. Получение их основано на способности двуводного гипса СаSО₄ · 2Н₂О в процессе нагревания (термообработки) частично или полностью дегидратироваться, т.е. отдавать кристаллизационную воду

СаSО₄ · 2Н₂О = СаSO₄ · 0,5Н₂О + 1,5Н₂О.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат гипсовый камень, ангидрит СаSО₄ (безводная соль сернокислого кальция) и гипсосодержащие отходы. В зависимости от вида и режимов термической обработки гипсового камня получают две разновидности гипсового вяжущего: α- и β-модификации. Они отличаются структурой кристаллической решетки (α-кристаллы имеют кубическую форму, β-кристаллы – форму параллелепипеда). Если природный гипс подвергают термической обработке в герметически закрытых аппаратах (мокрый обжиг) при температуре 109…115 °С и повышенном давлении (0,15…0,5 МПа), то получают α-модификацию. Такое вяжущее имеет более крупнокристаллическое строение, меньшие растворимость (на 20…30%) и водопотребность (30…40%), увеличенные сроки схватывания, повышенную прочность и называется высокопрочным гипсом.

Гипсовое вяжущее β-модификации получают в атмосфере не насыщенной парами воды при температуре 110…180 °С. В результате частицы вяжущего имеют капиллярно-пористую структуру, более развитую внутреннюю поверхность и более реакционноспособны. Водопотребность их выше (50…70%), а прочность при той же консистенции ниже. Называют такое вяжущее строительным гипсом.

Следовательно, α- и β-модификации не являются одним и тем же химическим соединением, а различаются структурой и количеством химически связанной воды:

• α-модификации соответствует соединение СаSО₄ · 0,67Н₂О (высокопрочный гипс);
• β-модификации – СаSO₄ · 0,5Н₂О (строительный гипс).

Свойства. Основными свойствами гипсовых вяжущих α- и β-модификации являются водопотребность, сроки схватывания, тонкость помола, прочность, плотность и др.

Водопотребность (нормальная густота затворения) гипсового вяжущего характеризуется количеством воды в процентах от массы вяжущего, которое необходимо для получения теста заданной подвижности. Определяется на специальном приборе – вискозиметре Суттарда – и составляет в зависимости от вида вяжущего 40…70%.

Теоретически для гидратации полуводного гипса с образованием двуводного требуется 18,6% воды по массе вяжущего вещества. Практически для получения необходимой консистенции смеси (гипсового теста) требуется от 30…40% до 60…70% воды в зависимости от условий обжига и дисперсности (у строительного гипса больше, высокопрочного – меньше). Оставшаяся вода (30…50%) создает пористость в структуре гипсового камня и снижает прочность. Поэтому чем выше водопотребность гипсового вяжущего, тем меньше будет его прочность в изделиях.

Водопотребность гипсового вяжущего увеличивается с повышением степени его измельчения, т.е. тонкости помола. Но применение гипсового вяжущего более тонкого помола, даже при некотором увеличении водопотребности, приводит к повышению прочности гипсовых изделий. Поэтому более целесообразно использовать гипсовые вяжущие высоких марок, но в разумных пределах и с учетом показателя цена – качество.

Гипсовые вяжущие являются быстросхватывающимися и быстротвердеющими вяжущими. В зависимости от сроков схватывания их подразделяют на три вида:

• А – быстротвердеющие (начало схватывания – не ранее 2 мин, конец схватывания – не позднее 15 мин);
• Б – нормальнотвердеющие (начало схватывания – не ранее 1 мин, конец схватывания – не позднее 30 мин);
• В – медленнотвердеющие (начало схватывания – не ранее 20 мин, конец схватывания – не нормируется).

При твердении гипсовых вяжущих, в отличие от других, происходит незначительное увеличение объема (0,3…1%), что дает возможность применять их без заполнителей, не опасаясь растрескивания изделий от усадки. Кроме того, это позволяет делать тонкие воспроизведения всех деталей лепной формы, что широко и используют скульпторы и архитекторы. В производственных условиях часто возникает необходимость либо замедлить, либо ускорить процесс схватывания и твердения вяжущего. Достигается это путем введения соответствующих добавок. В качестве замедлителей используются сульфитно-спиртовая барда (ССБ), водный раствор столярного клея, 50%-й раствор уксуса и др. Ускорителями служат молотый природный гипс (1% от массы вяжущего), поваренная соль (0,5%) и др.

Тонкость помола гипсового вяжущего характеризуется остатком на сите № 02 (с отверстиями размером 0,2 мм или 918 отв/см³). В зависимости от тонкости помола различают три степени помола:

• I – грубый (остаток на сите не более 23%);
• II – средний (остаток на сите не более 14%);
• III – тонкий (остаток на сите не более 2%).

По прочности гипсовые вяжущие подразделяются на марки: Г-2…Г-7; Г-10; Г-13; Г-16; Г-19; Г-22; Г-25. Цифры указывают

на минимально допустимую прочность на сжатие в мегапаскалях образцов-балочек размером 40×40×160 мм, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты после 2 ч твердения. Для каждой марки регламентируется и минимальная прочность на изгиб в пределах соответственно 1,2…8,0 МПа. Для повышения прочности гипсовых изделий в состав при их приготовлении вводят полимерные добавки. Это приводит к значительному увеличению прочности: литых гипсополимербетонов – 20…30 МПа, прессованных – до 60 МПа.

Истинная плотность гипсового вяжущего составляет 2,6…2,75 г/см³, средняя плотность в рыхлом состоянии – 800 кг/м³, в уплотненном – 1250…1450 кг/м³.

Твердение гипсовых вяжущих условно можно разделить на три периода:

• 1-й – растворение полугидрата сернокислого кальция и образование двуводного сернокислого кальция (гипса);
• 2-й – образование геля («студенистых» структурированных дисперсных систем), приводящего к схватыванию гипсового теста;
• 3-й – кристаллизация и твердение гипсового камня.

При затворении гипсового вяжущего водой полугидрат начинает растворяться (растворимость СаSO₄ · 0,5Н₂О в воде очень высокая – 8 г/л). Одновременно происходит и гидратация полуводного гипса с превращением его в двуводный (скорость гидратации β-полугидрата – 2…7 мин). Растворимость образующегося двуводного гипса значительно меньше растворимости полуводного (2 г/л), и раствор становится перенасыщенным. Из него начинают выделяться двуводный гипс, образуя вместе с водой коллоидную гелеобразную массу. Количество кристаллов увеличивается, они располагаются в разных направлениях, переплетаются между собой и образуется кристаллический сросток.

Кристаллизация обусловливает твердение и нарастание прочности. Примерно через 1,5 ч кристаллизация заканчивается. Поэтому по стандарту прочность гипсового вяжущего устанавливается через 2 ч с момента изготовления образцов. При высушивании гипсовых образцов и изделий (температура сушки не должна превышать 65 °С) их прочность возрастает в 2–2,5 раза.

Разновидности. К разновидностям гипсовых вяжущих относятся:

• строительный гипс (β-модификации) – нормальная густота 45…65%, по срокам схватывания относится к нормальнотвердеющим вяжущим (индекс Б), по прочности – к маркам Г-2…Г-7, по тонкости помола различают I, II и III степени;
• высокопрочный (α-модификации) – нормальная густота 35…45%, у него меньше пористость и выше прочность (марки – Г-10…Г-25);
• супергипс – прочность в возрасте 2 ч более 25 МПа;
• ангидритовый цемент (ангидритовое вяжущее) получают при температуре обжига 600…700 °С. В результате двуводный гипс полностью дегидратируется и переходит в ангидрит СаSO₄, который сам по себе не схватывается и не твердеет. Измельченный в тонкий порошок совместно с активизаторами твердения (СаО – 2…5%, доменный шлак – 10…15%, обожженный доломит – 3…8% и др.) он приобретает способность твердеть. Марки ангидритового вяжущего – 50, 100, 150 и 200 (кгс/см³);
• высокообжиговый (эстрих-гипс) получают обжигом двуводного гипса или природного ангидрита при температуре 800…1000 °С с последующим помолом. При обжиге в таком интервале температур происходит не только обезвоживание двуводного гипса, но и частичное разложение ангидрита с образованием СаО (свободной извести – катализатора твердения). Такое вяжущее медленнее набирает прочность, но имеет большую водостойкость, чем α- и β-модификации. Марки – 100, 150 и 200 (кгс/см³).

При увеличении тонкости помола гипсового вяжущего β-модификации его называют формовочным гипсом, а при использовании сырья повышенной чистоты (белизны) – медицинским.

В настоящее время разработаны составы водостойких гипсовых вяжущих (ВГВ). Они представляют собой смешанные вяжущие вещества на основе различных модификаций гипсового вяжущего в сочетании с портландцементом (пуццолановым, шлакопортландцементом) и активными минеральными или органоминеральными добавками. На их основе возможно получение бетонов прочность 10…25 МПа.

Маркировка и применение. Маркируются гипсовые вяжущие по трем показателям: прочности, скорости схватывания и тонкости помола. Например, Г-7 А II – гипсовое вяжущее прочностью на сжатие не менее 7 МПа, быстросхватывающееся, среднего помола.

Применяются гипсовые вяжущие для изготовления перегородочных плит и панелей, гипсовых и гипсобетонных блоков, вентиляционных коробов, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов (сухая гипсовая штукатурка), акустических плит, гипсовых и известково-гипсовых растворов для штукатурки и шпатлевочных смесей, различных архитектурно-декоративных изделий и при производстве гипсоцементно-пуццоланового вяжущего. Поскольку гипсовые вяжущие являются воздушными, их можно использовать только в условиях с относительной влажностью воздуха до 60%.

5. Известь строительная (воздушная)

Сырье и производство. Известь строительная (СТБ EN 459, ГОСТ 9179) является очень древним и в то же время современным вяжущим веществом. Сырьем для ее получения служат широко распространенные карбонатные горные породы (известняки, мел, доломиты). Получают строительную известь обжигом не до спекания при температуре 1000…1200 °С указанных горных пород с содержанием глинистых примесей не более 6% (рис. 2). При большем их содержании получается гидравлическая известь. Обжиг сырья для получения извести ведут в печах различных конструкций: шахтных, вращающихся и др. Наиболее распространены шахтные печи по пересыпному способу или с выносимыми топками. Высота их достигает 20 м. Они считаются наиболее экономичными. Длина вращающихся печей составляет 30…150 м при диаметре 1,8…3 м, а производительность и качество получаемого продукта – выше, чем у шахтных.

При обжиге карбонатных пород происходит их декарбонизация, т.е. удаление из них углекислого газа. Углекислый кальций и углекислый магний разлагаются на оксид кальция СаО, оксид магния MgO и углекислый газ CO₂, который удаляется из печи вместе с воздухом и остальными газообразными продуктами горения. Углекислого газа выделяется до 44% по массе.

Рис. 2. Схема производства строительной извести

Продукт обжига (CaO) имеет пористую структуру плотностью 900…1000 кг/м³ и носит название негашеной извести. По фракционному составу ее подразделяют на комовую и в случае помола – порошкообразную (молотую) негашеную известь. До XIX в. комовую известь называли едкой, жгучей, живой известью. Неравномерность обжига может привести к образованию в извести недожога (если температура обжига ниже требуемой) и пережога (если температура обжига выше требуемой), ухудшающих ее качество. В соответствии с СТБ EN 459-1 воздушная известь подразделяется на кальциевую (CL) с содержанием МgО менее 5% и доломитовую (DL) с содержанием МgО более 5%.

Комовая негашеная известь является полуфабрикатом, из которого в зависимости от принятой схемы (помол или гашение) получают молотую негашеную – СаО и гашеную (гидратная, мертвая) известь – Са(ОН)₂.

Гашение извести. Воздушная известь отличается от всех других вяжущих тем, что может превращаться в тонкодисперсное состояние (порошок) не только при помоле, но и самопроизвольно или при гашении водой, т.е. химическим путем. Гашеную

Рис. 3. Схема технологического процесса гашения извести

известь получают путем воздействия на негашеную (комовую или молотую) определенного количества воды (рис. 3). Процесс этот называется гашением извести и сопровождается выделением большого количества тепла и значительным увеличением продукта гашения в объеме (в 2,5–3 раза). В основе гашения лежит химическая реакция гидратации оксида кальция

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q,

где Q – количество теплоты, равное 1160 кДж, на 1 кг оксида кальция.

В результате куски извести рассыпаются и превращаются в сухой рыхлый порошок (мало растворимый в воде) – гашеную известь или гидроксид кальция Са(ОН)₂ – гидратную известь. Выделение тепла при гашении извести вызывает вскипание воды и образование пара, что послужило основанием называть негашеную известь кипелкой. Различают два способа гашения извести: мокрый (в известковое тесто, т.е. сметанообразную массу) и сухой (в известь-пушонку, или гидратный порошок). На ощупь пушонка – сухой порошок размером зерен до 0,01 мм.

Теоретически для гашения извести необходимо 32% воды. Практически для гашения извести воды берут 40…70% (до 100%) и получают тонкий рыхлый порошок со значительным увеличением в объеме (в 2,5–3 раза), имеющий название известь-пушонка, состоящего в основном из Са(ОН)₂ – сухой гидроксид кальция. При избытке воды (в 3–4 раза больше, чем извести) продукт гашения переходит в известковое тесто, состоящее из гашеной извести и воды (≈ 50%). Если воды берут в 5–7 раз больше, получают известковое молоко (водную известковую суспензию). Гашеную известь называют также гидратной (от гидроксида кальция), мертвой и морянкой (которая гасилась длительное время). Качество строительной извести по мокрому способу гашения рассмотрен выше.

Свойства. Основными техническими характеристиками извести являются:

• по ГОСТ 9179 – активность, скорость гашения, количество непогасившихся зерен, выход известкового теста, тонкость измельчения, прочность и другие показатели;
• по СТБ EN 459-1 – доля оксидов кальция и магния (CaO + MgO) и MgO; содержание диоксида углерода СО₂, потери при прокаливании и сульфата SO₃; активность извести; тонкость помола; равномерность изменения объема; водоудерживающая способность; содержание воздуха в свежем растворе; насыпная плотность; выход известкового теста; реакционная способность и содержание свободной воды.

Активность извести определяется содержанием в ней активных CaO и MgO, способных гаситься. Неактивная часть состоит из негасящихся частиц (недожога и примесей других минералов) и частиц, гасящихся медленно (пережог). Как недожог, так и пережог, образуются из-за неравномерного распределения температуры в печи обжига. При этом недожог является балластом и не оказывает слишком вредного воздействия на качество извести, а лишь уменьшает выход известкового теста. Зерна пережога очень медленно гасятся (годами) и процесс гашения может продолжаться в затвердевшем материале. А поскольку процесс гашения извести сопровождается увеличением ее в объеме в 2–3 раза, то это может привести к растрескиванию и разрушению изделий. Чем больше суммарное содержание в извести оксидов кальция и магния (СаО + МgО), тем выше ее активность, а следовательно, и качество, тем быстрее она гасится и тем больше выход известкового теста. Активность высококачественных сортов маломагнезиальной извести может достигать 93…97%, негашеной извести с добавками – 55…65%. В зависимости от качественных характеристик, в том числе и от содержания активных CaO и MgO, и других показателей воздушная кальциевая известь без добавок делится на три сорта (ГОСТ 9179): для первого – не менее 90%; для второго – не менее 80%; для третьего – не менее 70%.

По СТБ ЕN 459-1 в зависимости от суммарного содержания СаО + МgО известь классифицируется на виды: кальциевая (CL 70; CL 80; CL 90) и доломитовая (DL 80; DL 85).

За скорость гашения принимается время, прошедшее от момента приливания воды к извести до начала снижения максимальной температуры. В зависимости от скорости гашения различают известь: быстрогасящуюся (со скоростью гашения не более 8 мин), среднегасящуюся (до 25 мин) и медленногасящуюся (не менее 25 мин).

Выход известкового теста определяется его количеством, получаемым при гашении 1 кг извести. Чем активнее известь и полнее гасится, тем больше выход известкового теста. Чем выше выход теста и дисперснее частички извести, тем оно пластичнее и тем больше его пескоемкость. Высококачественные сорта извести (с содержанием более 90% СаО) при правильном гашении характеризуются выходом теста в 2,5…3,5 л и больше. Такую известь по традиции называют жирной. Известь с меньшим выходом теста и большим количеством примесей называют тощей.

Прочность растворов и бетонов на воздушной извести зависит, прежде всего, от условий твердения. При обычных температурах твердения (10…20 °С) в течение месяца они приобретают относительно невысокую прочность – 0,5…1,5 МПа, а при автоклавном твердении – 30…40 МПа и более.

Истинная плотность негашеной извести составляет 3,1…3,3 г/см³ в зависимости от температуры обжига, наличия примесей, недожога и пережога. Истинная плотность гидроксида – 2,08…2,23 г/см³. Средняя плотность комовой негашеной извести в куске зависит от температуры обжига и находится в пределах от 1,6 г/см³ (t_обж – 800 °С) до 2,9 г/см³ (t_обж – 1300 °С).

Насыпная плотность молотой негашеной извести в рыхлом состоянии 900…1100 кг/м³, в уплотненном – 1100…1300 кг/м³, гидратной извести (пушонки) в рыхлом состоянии – 400…500 кг/м³, в уплотненном – 600…700 кг/м³, известкового теста – 1300…1400 кг/м³.

Твердение извести. Различают три типа твердения извести: гидратное, карбонатное и гидросиликатное (в том числе автоклавное). Известковое тесто твердеет по мере испарения воды и кристаллизации гидроксида кальция. В результате потери влаги образуется перенасыщенный раствор Са(ОН)₂, мельчайшие частички которого, сближаясь между собой, образуют кристаллы.

Чем интенсивнее испаряется влага, тем быстрее идет кристаллизация гидроксида кальция Са(ОН)₂. Поэтому для нормального процесса твердения извести необходимо обеспечить благоприятные условия: положительную температуру и низкую влажность окружающей среды. Гидратное твердение негашеной молотой извести из-за интенсивного выделения тепла в первые сроки твердения приводит к быстрому обезвоживанию известкового теста (раствора) и его более высокой прочности. В дальнейшем процесс твердения молотой негашеной извести развивается по той же схеме, что и гашеной.

Если на затвердевшее известковое тесто будет действовать влага, то оно вновь может перейти в пластичное состояние. Однако при длительном твердении (десятилетиями) известь приобретает довольно высокую прочность и удовлетворительную водостойкость, потому что наряду с кристаллизацией в твердеющем известковом тесте (растворе) происходит процесс карбонизации. Он заключается в соединении извести Са(ОН)₂ в присутствии воды с углекислым газом, находящимся в воздухе, хотя и в небольших количествах (около 0,03%)

Са(ОН)₂ + СО₂ + nН₂О = СаСО₃ + (n + 1)Н₂О.

В результате этой реакции образуется углекислый кальций СаСО₃, т.е. само вещество, из которого была получена известь (известняк). Кристаллы образующегося СаСО₃ срастаются друг с другом, с частичками Са(ОН)₂ и песка и создают искусственный камень, т.е. обусловливают твердение. При этом объем твердой фазы увеличивается, что приводит к дополнительному уплотнению и упрочнению твердеющего раствора. Кроме того, углекислый кальций намного прочнее кристаллов гидроксидов кальция. Прочность известкового теста или раствора на таком вяжущем увеличивается примерно в 5–7 раз. Но процесс карбонизации проходит очень медленно, так как на поверхности карбонизированных зерен образуется плотный слой (корка) из углекислого кальция, затрудняющая проникновение углекислого газа СО₂ внутрь зерен. Этим объясняется медленное, длящееся десятками и более лет, нарастание прочности известковых растворов. Поэтому в реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести сравнительно низкая, не превышает 0,5…5 МПа и нормативными документами не нормируется. Тем не менее, прочность воздушной извести тоже является важной характеристикой и не учитывать ее нельзя.

Как видно из вышеприведенной реакции, одновременно с образованием СаСО₃ выделяется и вода, что является отрицательным фактором в случае использования извести в строительных растворах. В этом случае в помещениях, построенных с помощью таких растворов, долгое время сохраняется повышенная влажность. Хотя в целом использование извести в строительных растворах дает положительный эффект.

Также, при длительном контакте извести с кварцевым песком в присутствии влаги между ними происходит реакция с образованием контактного слоя из силикатов и гидросиликатов (гидросиликатное твердение):

Ca(OH)₂ + SiO₂ = CaSiO₃ + H₂O, CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂.

Это тоже повышает прочность и водостойкость бетонов и растворов на извести, например в кирпичной кладке, имеющей возраст более 200–300 лет.

Таким образом, прочность и другие свойства (водо- и морозостойкость) во многом зависят от характера и условий твердения изделий на основе извести. Наибольшее значение эти показатели имеют при гидросиликатном, а наименьшее – при карбонатном твердении. Через месяц твердения при обычной температуре (10…20 °С) растворы на гашеной извести приобретают прочность на сжатие 0,5…1,5 МПа, на молотой негашеной – 2…3 МПа и более. При гидросиликатном твердении возможно получение известково-песчаных (силикатных) бетонов прочностью при сжатии 30…40 МПа и более.

Твердение известкового теста, прежде всего из-за большого содержания воды, сопровождается значительным уменьшением объема, т.е. усадкой с образованием трещин. Поэтому воздушная известь никогда не применяется без такого заполнителя, как песок, который препятствует усадочным деформациям.

Транспортирование, хранение и применение. При транспортировании и хранении известь необходимо защищать от увлажнения и засорения. Особенно подвержена действию влаги порошкообразная известь-кипелка. Транспортировать и хранить ее следует затаренной в бумажные мешки. Кроме того, для порошкообразной извести-кипелки, пушонки и известкового теста применяют специальные автоцистерны. Транспортировать комовую известь можно навалом в закрытых вагонах и автомашинах.

Максимальный срок хранения молотой извести составляет 25 сут. Срок хранения извести в герметичной таре (металлические барабаны) не ограничен. Гашеную известь можно хранить много лет. От продолжительности хранения свойства извести могут даже улучшиться. При транспортировании и хранении извести следует учитывать, что известь – это довольно сильная щелочь, и поэтому необходимо соблюдать правила техники безопасности. Известковая пыль раздражающе действует на органы дыхания и влажную кожу.

Применяется строительная известь для приготовления кладочных и штукатурных, в том числе декоративных, растворов, силикатных материалов и изделий, а также при реставрационновосстановительных работах. Известь-пушонка применяется преимущественно для получения сухих смесей, широко распространенных в настоящее время.