science-review.ru
Вяжущими называются вещества, которые затвердевают вследствие протекания в них различных физических и химических явлений. Они выступают в роли цементирующего компонента. В процессе затвердевания вяжущие соединяют какой-либо заполнитель, используемый в данном растворе. Это уникальное свойство некоторых веществ создавать прочную монолитную конструкцию нашло широкое применение в строительстве. На основе свойств вяжущих веществ создаются фундамент и стены зданий и сооружений, производятся различные отделочные и фасадные работы, а также строятся дороги.
Бетон – искусственный каменный материал, который получают в результате затвердевания смесей, состоящих из вяжущего вещества, мелкого или крупного заполнителя (песка, щебня или гравия) и некоторых специальных добавок. Процессы твердения вяжущих веществ должны удовлетворять трем основным требованиям: протекать в нужном направлении и достигать заданной глубины превращения (термодинамическое); протекать с оптимальной скоростью (кинетическое); обеспечивать технологичность процесса и получение продуктов с необходимыми свойствами (технологическое).
Твердение всех вяжущих веществ можно представить в виде общей схемы гидратационного твердения. Гидратационным твердением называется твердение, происходящее в результате взаимодействия вяжущего вещества и воды. При этом безводные исходные вещества превращаются в гидраты, гидратные новообразования которых кристаллизуются, их кристаллы переплетаются и разрастаются, образуя прочное камнеподобное вещество [1].
Минеральные вяжущие вещества. Минеральными вяжущими веществами называют неорганические порошкообразные материалы, которые после смешивания с водой образуют пластичную массу, которая постепенно превращается в камневидное тело. Большинство вяжущих веществ твердеет в результате их взаимодействия с водой. Этот процесс длительный и иногда продолжается даже после того, как было изготовлено сооружение. Неорганические вещества делятся на 2 класса: воздушные и гидравлические.
Воздушные вяжущие вещества. Воздушные вяжущие вещества – это те вещества, продукты твердения которых сохраняют свои свойства исключительно в воздушной среде, в то время как при контакте с водой они теряют прочность, деформируются и, в конечном счете, разрушаются. Именно поэтому воздушные вяжущие вещества используются только при постройке наземных сооружений, не имеющих прямого контакта с водной средой. К таким материалам относятся: гипсовые вяжущие, воздушная известь (негашеная комовая известь, гашеная молотая известь), магнезиальные вяжущие, кислотостойкий цемент, растворимое стекло и прочие.
Гипсовые вяжущие вещества. Гипсовые вяжущие вещества – материалы, которые состоят из полуводного гипса или ангидрита и получают которые, как правило, тепловой обработкой исходного сырья или его помола. Гипсовые воздушные вяжущие вещества в зависимости от температуры тепловой обработки классифицируются на две категории: низкообжиговые (собственно гипсовые) и высокообжнговые (ангидритовые). Первую категорию получают при помощи тепловой обработки при относительно низких температурах (110-180 °C). Они имеют в своем составе главным образом полуводный гипс CaSО4×0,5 H2О. Вторая категория обжигается при более высоких температурах (600-900 °C). В их составе преимущественно безводный гипс (ангидрит CaSO4). Высокообжиговые вяжущие отличаются более медленным, чем у низкообжиговых, твердением.
К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относятся строительный гипс (CaSO4×2H2O); формовочный гипс (96 %CaSO4×2H2O); высокопрочный (технический) гипс (CaSO4×0.5H2O); гипсовые вяжущие из гипсосодержащих материалов. К высокообжиговым относятся ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент CaSO4); высокообжиговый гипс (эстрих – гипс CaSO4×СaO).
При производстве гипсовых вяжущих веществ применяют естественный двуводный гипс, ангидрит, глиногипс. Нередко применяют отходы химической промышленности, имеющие в своем составе двуводный, безводный и редко полуводный сернистый кальций или его смесь (фосфогипс, борогипс и др.) [1].
Реакция затвердевания гипса протекает по схеме (1):
СаSО4 ×0,5H2O + 1,5Н2О = СаSО4×2H2O (1)
Строительная воздушная известь. Строительная воздушная известь (СаО) – продукт, который получают из известковых и известково-магнезиальных карбонатных пород путем обжига их до максимального удаления углекислоты и который состоит в большей части из оксида кальция. Содержание примесей (глины, кварцевого песка и т. д.) в карбонатных породах не должно превышать 6-8 %. При большем количестве таких примесей после обжига получают гидравлическую известь. Различают следующие виды воздушной извести: извecть негашеную комовую, известь нeгaшеную молотую, известь гидратную (пушонку), известковое тесто.
Известь негашеная комовая имеет в своей структуре куски разной величины. Ее химический состав полностью состоит из свободных оксидов кальция и магния (преимущественно оксида кальция). В ее составе могут быть неразложившийся карбонат кальция, а также силикаты, алюминаты и ферриты кальция и магния, которые образовались при обжиге во время взаимодействия глины и кварцевого песка с оксидами кальция и магния.
Известь негашеная молотая представляет собой порошковидный продукт измельченной комовой извести. По химическому составу она повторяет ту известь, из которой была получена.
Гидратной известью называется высокодисперсный сухой порошок, который получают гашением комовой или молотой негашеной извести тем количеством жидкости, которое обеспечивает переход оксидов кальция и магния в их гидроксиды . Гидратная известь состоит в основном из гидроксида кальция Са(ОН)2, а также гидроксида магния Mg(OH)2, и небольшого количества примесей.
Известковым тестом называется продукт, который получают при гашении комовой или молотой негашеной извести водой в том количестве, которое необходимо для перехода оксидов кальция и магния в их гидроксиды Ca(OH)2 и Mg(OH)2, и на образование пластичной массы. Такое тесто содержит обычно 50-55 % гидроксидов кальция и магния и 50-45 % механически- и адсорбционносвязанной воды.
Качество воздушной извести оценивается по такому показателю как, содержание оксидов кальция и магния. Чем их больше, тем качество выше [2].
Гидравлические вяжущие вещества. Гидравлические вяжущие вещества – это те вещества, продукты твердения которых сохраняют свои свойства как в воздушной среде, так и в водной. Именно поэтому их круг применения более широк, нежели воздушных вяжущих. Гидравлические вяжущие представляют собой высокоизмельченные порошки, которые состоят из силикатов, алюминатов и ферритов кальция. К гидравлическим вяжущим веществам относят гидравлическую известь, романцемент, портландцемент, а также некоторые специальные цементы (разновидности портландцементов с различными примесями).
Гидравлическая известь. Гидравлической известью называют продукт обжига кальциевомагниевых карбонатных пород при температуре около 1000 °С, содержание глинистых примесей в которых составляет порядка 8-20 % от массы вещества. Показателем качества гидравлической извести является так называемый гидравлический модуль, который является количественным отношением оксида кальция CaO ко всем остальным оксидам, содержащимся в данной извести. Обычно значения модуля лежит в пределах от 1,7 до 4,5 условных единиц. На самом деле гидравлическая известь занимает промежуточное положение между воздушными и гидравлическими вяжущими веществами, так как она недостаточно устойчива, чтобы долгое время находится в водной среде и сохранять свои первоначальные характеристики прочности [3].
Романцемент. Романцемент – это продукт высокого измельчения, который получают обжигом (важно: не спеканием) чистых и доломитизированных мергелей, которые содержат в своем составе как минимум 25 % процентов глинистых примесей. Для изменения свойств романцемента в него иногда добавляют до 5 % гипса различных видов или до 15 % активных минеральных добавок. При производстве романцемента используют мергель. Мергель является природной смесью карбоната кальция и глины. Производство романцемента заключается в добыче мергеля, его грубого помола на куски требуемого размера, обжиге и дальнейшем измельчении обожженного материала [4].
Портландцемент. Портландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, которое получают при тонком измельчении портландцементного клинкера и гипса (иногда с применением различных химических добавок). Портландцемент является одним из самых главных вяжущих веществ в строительстве.
Клинкер – вещество, получаемое при спекании тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, которая состоит из известняка и глины или некоторых других материалов (мергель, доменный шлак и т.д.). При спекании в клинкере достигается преимущественное содержание высокоосновных силикатов кальция (70-80 %). Сам по себе клинкерный порошок без примеси в нем гипса при взаимодействии с водой достаточно быстро схватывается и превращается в цементный камень, характеризующийся низкими техническим свойствами. Поэтому добавку в виде гипса в портландцементе используют как регулятор скорости затвердевания и повышения свойств будущего бетона.
Качественной характеристикой цементного клинкера является содержание отдельных оксидов, численное значение гидравлического модуля, микроструктура клинкера (размеры и формы кристаллов и минералов), содержание основных клинкерных минералов [2].
Структурирование цементного камня на начальных стадиях твердения – это сложный многостадийный процесс. В соответствии с калориметрическими исследованиями выделяются следующие стадии: 1) гидролиз 15мин; 2) индукционный период 4ч; 3) период интенсивных химических реакций 4-8 ч; 4) период замедления 8-24 ч; 5) период твердения. К основным составляющим портландцемента относятся силикаты кальция C3S и C2S, алюминат C3A и феррит C4AF. Присутствуют также оксиды и соли – Na-, K-сульфаты.
При контакте с водой сульфаты щелочных металлов растворяются, высвобождая K, Na -силикаты в жидкую фазу. При медленной гидратации выделяются также силикаты Ca, Si, Al, Fe и гидроксиды. Причем выделение в раствор происходит после растворения соответствующей клинкерной структуры. Щелочи, высвобождаемые при растворении сульфатов щелочных металлов, распределяются между раствором и твердой фазой C-H-S. Элементы C-H-S являются основным твердым продуктом взаимодействия твердой и жидкой фаз. Концентрация щелочей незначительна по сравнению с Ca, Si. Соединения Al, Fe реагируют с гидроксидами. Растворение клинкерных фаз обусловлено содержанием Ca, Si, Al, Fe и гидроксидов и определяет скорость осаждения основных гидратированных фаз, в частности – C-H-S и C-A-S.
В первые 1,6–2 ч в растворе доминируют ионы Ca2+, K+, Mg2+, Na+, а также гидроксила ОН-. Высокая концентрация K+, Mg2+, Na+ обусловлена быстрым растворением сульфатно-щелочных фаз. С продолжением гидратирования содержание K+, Na+, OH–, а также ионная сила существенно возрастают. Основная масса натрия и калия в конечном итоге попадает в раствор, за исключением тех элементов, которые адсорбируются на зернах C-S-H. Содержание Ca2+ в растворе остается примерно постоянным 6–7 ч, а затем резко снижается. Концентрация гидроксид-иона OH– монотонно возрастает. Сульфаты щелочных металлов полностью растворяются в жидком растворе, ангидрит SO32- растворяется частично до достижения равновесия в растворе. Доля свободной влаги существенно снижается во временном масштабе. Как следствие, в результате реакций растворения частиц клинкерных минералов формируются новообразования или гидраты (CaO)x·(SiO)y·(H2O)z·Ca(OH)2. Продуктом взаимодействия является новая фаза C-S-H – гидросиликаты кальция, которая и является основным связующим звеном в затвердевающем цементе [5].
Прочность бетонов. Как известно, бетоны и железобетоны под воздействием различных внешних факторов теряют свою первоначальную прочность. В них образуются трещины, ремонт которых обходится достаточно дорого. Однако современные исследования в данном направлении привели к важному открытию: прочностные качества бетонов можно сохранять путем введения в раствор бактерий, в результате жизнедеятельности которых образуется кальцит. Кальцит же в свою очередь затвердевает при попадании на него влаги. Таким образом, в бетоне с введенными микроорганизмами происходит так называемый «саморемонт».
Последние исследования [6] выявили наиболее пригодные виды бактерий для процесса «саморемонта». Так, вид B. Subtilis обеспечил наибольший прирост прочности на сжатие (20 %), затем следуют бактерии вида S. pasteurii (17,2 %). Бактерии S. ureae (14,7 %) обеспечили наименьший прирост прочноcти по сравнению с другими двумя выбранными бактериальными видами. Таким образом, бактерии B. Subtilis оказались наиболее предпочтительным видом для использования в качестве восстановителя бетона.
Заключение
Современную строительную индустрию невозможно представить без вяжущих веществ. Ни одна область строительства не обходится без них. Вяжущие вещества и их модификация являются главным фактором развития всей сферы строительства. Открытая еще в древности способность этих веществ превращаться в камень остается и по сей день главным инструментом при возведении любого сооружения.