Воздушные вяжущие
Глина
Глина – осадочная горная порода, образующаяся выветриванием полевошпатовых и слюдистых пород. Свойства глин зависят от свойств глинистых минералов, размеры которых менее 0,004 мкм. Глинистые минералы при увлажнении образуют пластичное тело, сохраняющее свою форму при высыхании и обжиге. Среди глинистых минералов наиболее распространены каолинит и монтмориллонит.
Каолинит – очень мягкий минерал белого цвета, используется при производстве керамики, для получения бумаги и как наполнитель в полимерных материалах. Кристаллы представляют собой микроскопические и ультрамикроскопические чешуйки многогранной формы.
Монтмориллонит – водный алюмосиликат непостоянного состава. Размер чешуйчатых кристалликов меньше, чем у каолинита, из-за чего он обладает высокой адсорбционной способностью и очень пластичен в увлажненном виде. Благодаря большой поверхности частиц глина поглощает и удерживает до 20–30 % воды по массе, разбухает и переходит в вязкопластичное состояние. Следует помнить, что при высыхании глиняное тесто уменьшается в объеме на 10–20 % и при затвердевании дает большую усадку и растрескивается. По степени проявления усадки глины разделяют на жирные и тощие.
Жирными называют глины, содержащие большое количество частиц глинистых минералов. Они отличаются тем, что способны вбирать в себя большой объем воды, сильнее набухать, труднее сохнуть, давать большую усадку.
Тощие глины содержат много песчаных частиц. Они, наоборот, имеют небольшую усадку, легко сушатся, но отличаются пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с жирными.
Чтобы избежать погрешностей при проявлении усадочных свойств, в глиняные смеси вводят наполнители: песок, опилки и другие крупнозернистые материалы.
Благодаря высокой водоудерживающей способности и пластичности глину используют в качестве пластифицирующей добавки к цементным растворам.
В сельском строительстве широко распространена практика добавки к глинистому вяжущему сечки соломы. Эта простая, но эффективная добавка, снижающая жирность глины. Она облегчает сушку, снижает плотность и армирует (т. е. создает внутренний каркас) материал и поверхность, в результате чего получается саман.
Глины различают в зависимости от температуры плавления и делят на огнеупорные тугоплавкие, легкоплавкие.
Огнеупорные – наиболее чистые, свободные от механических примесей глины. Выдерживают температуру до 1580 °C. Используются для производства специальных сортов кирпича и для изготовления футеровки (облицовки внутренней части промышленных печей), высококачественного фарфора, фаянса и высокопрочной керамической облицовочной плитки (керамогранита).
Тугоплавкие глины содержат следующие примеси: окислы железа, кварцевый песок, слюду. Выдерживают температуру от 1350 до 1580 °C. Их применяют при изготовлении печного тугоплавкого кирпича (из него кладут печи в жилых зданиях), облицовочного и лицевого кирпича, облицовочных плиток для полов, керамических труб.
Легкоплавкие глины содержат наибольшее количество примесей. Плавятся при температуре ниже 1350 °C. Из них делают обыкновенный глиняный кирпич, гончарную черепицу, пустотелые керамические камни.
Гипсовые вяжущие – довольно большая группа воздушных вяжущих веществ, к которым относятся гипс, ангидритовое вяжущее, высокообжиговый гипс (эстрихгипс) и ангидритовый цемент.
В строительной практике очень часто гипс называют алебастром (от греч. alebastros – «белый»).
Гипс – быстротвердеющее воздушное вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция, получаемого низкотемпературной (< 200 °C) обработкой гипсового сырья.
Наиболее распространен в качестве сырья природный гипсовый камень. Он часто загрязнен мелом, органическими примесями, глиной. Доступность сырья, простота технологии и низкая энергоемкость производства (в 4–5 раз меньше, чем для получения портландцемента) делают гипс дешевым и перспективным вяжущим. Если в гипсовом камне содержится не менее 90 % двуводного гипса, то получают гипс I сорта, если не более 65 %, то гипс II сорта.
При затворении гипса водой происходит его твердение. Внешне это выражается в превращении пластичного теста в твердую камнеподобную массу с выделением тепла. При насыщении водой уже затвердевших материалов на основе гипса происходит размягчение готовых форм, т. е. процесс отвердения обратим. Это позволяет придавать изделиям из гипса и гипсокартонных листов любые архитектурные формы. Конечная стадия твердения заканчивается через 1–2 ч.
Гипс – один из древнейших строительный материалов. Структура гипса делает его природным «кондиционером». Это происходит за счет поглощения избыточной влаги в помещении и обратного ее выделения. Помещения, в отделке которых применяют гипсовые материалы, пропускают воздух. Гипс – материал экологически чистый, нетоксичный, не имеющий запаха, с рН = 5,5 (что соответствует кислотности кожи человека). Он негорюч и огнестоек (при действии высоких температур в результате термической диссоциации кристаллогидратов выделяет воду, тормозя распространение огня), обладает высокой парои газопроницаемостью, хорошей звуко– и теплоизоляцией.
Одной из важнейших характеристик гипса при использовании его для строительных и отделочных работ является время схватывания и полного отвердевания смеси.
По срокам схватывания гипс делят на три группы:
– «А» – быстротвердеющий (2–15 мин);
– «Б» – нормально твердеющий (6–30 мин);
– «В» – медленнотвердеющий (начало не ранее 20 мин, конец не нормируется).
Обычно на заводской упаковке указан промежуток времени, за который эти процессы происходят. При необходимости замедления отвердевания в смесь можно ввести столярный клей, сульфитно-спиртовую барду, кератиновый замедлитель, борную кислоту, буру, полимерные суспензии (например, ПВА). Наиболее часто для бытовых отделочных работ используют клей ПВА. Гипсовое вяжущее – одно из немногих веществ, расширяющихся в объеме при твердении на 0,2 %, что позволяет применять его без наполнителей, не боясь растрескивания от усадки.
Высокая пористость гипса и изделий из него позволяет модифицировать его свойства. Для повышения водостойкости в гипсовые смеси вводят гидрофобные вещества (например, силиконовое масло), которые при высыхании образуют тонкую защитную пленочку на поверхности, придавая изделиям из гипса некоторые водоотталкивающие свойства. Пропитка гипса полимерными растворами позволяет получать искусственный мрамор – легкий, красивый и долговечный материал.
Высокообжиговый гипс (эстрихгипс) представляет собой медленно схватывающееся и медленнотвердеющее вяжущее, состоящее из безводного сульфата кальция и активизаторов твердения.
Свойства эстрихгипса значительно отличаются от свойств обычного гипса. Например, эстрихгипс начинает схватываться не ранее чем через 2 ч, и окончание этого процесса не нормируется. Благодаря пониженной водопотребности, после затвердевания эстрихгипс образует плотный и прочный материал с большим пределом прочности (марки 100; 150; 200).
Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипса при 600–700 °C до полного обезвоживания, т. е. до образования ангидрита, после его подвергают дополнительной сушке и размолу. Состав и свойства затвердевшего ангидритового цемента аналогичны эстрихгипсу. Чаще всего их применяют при производстве смесей для самовыравнивающихся наливных полов.
Магнезиальные вяжущие (белый цемент)
Магнезиальный цемент белого цвета – довольно дорогое вяжущее, так как месторождения с чистым магнезитом или доломитом распространены мало. При затворении водой магнезиальные вяжущие очень медленно гидратируются, проявляя слабовяжущие свойства, поэтому их чаще затворяют растворами хлорида или сульфата магния. Гидратация в этом случае протекает быстрее.
Сроки схватывания каустического магнезита зависят от температуры и тонкости помола и составляют от 20 мин до 6 ч. Набор прочности вяжущего продолжителен во времени и через сутки составляет 10–15 МПа. Через 28 суток возрастает до 30–50 МПа. Но в специальных смесях для создания особо прочных элементов может достигать 100 МПа.
Широкое применение магнезиальных вяжущих началось в XIX и начале XX в. Их применяли для устройства бесшовных монолитных ксилолитовых полов (от греч. xelon – «древесина»). В качестве наполнителей для бетонов на магнезиальном вяжущем использовали древесные опилки. Изготавливали также ксилолитовые плитки для полов, искусственный мрамор, цветные штукатурки, прессованные магнезиально-опилочные блоки. Последнему способствовала высокая прочность некоторых марок белого цемента (60–100 МПа). Магнезиально-опилочные полы можно циклевать, натирать мастиками, по теплоусвоению они близки к паркетным полам.
Естественно окрашенные (примесями) магнезиальные цементы используют для производства окрашенных (цветных) цементов. В качестве красящих пигментов используют натуральные пигменты (сурик, охра, сажа, алюминий или даже берлинская лазурь и ультрамарин) или более дорогие органические красители фталоцианинового ряда.
Жидкое стекло и кислотоупорный цемент
Жидкое (растворимое) стекло используют для изготовления кислотоупорных замазок и бетонов, а также в силикатных красках в качестве связующего. (Подробней силикатные краски рассматриваются в главе «Малярные работы».)
Кислотоупорный «цемент» изготавливают из тонко измельченной смеси кислотоупорного наполнителя (кварца, диабаза, андезита т. п.) и ускорителя твердения. Название «цемент» для такой смеси условно, так как сам он вяжущим свойством не обладает и при смешивании с водой не твердеет. Вяжущим веществом в таких «цементах» является жидкое стекло, которым этот «цемент» и затворяется. Сроки схватывания кислотоупорного «цемента» – от 20 мин до 8 ч, а предел прочности при сжатии 20–60 МПа. Основным преимуществом кислотоупорного «цемента» является стойкость к воздействию большинства кислот, кроме плавиковой и фосфорной. При длительном воздействии воды, пара и растворов щелочей бетоны и растворы на жидком стекле теряют прочность. Они нашли применение в конструкциях, находящихся в агрессивных средах.
При строительстве используют следующие виды извести: негашеную комовую (кипелку), негашеную порошкообразную (молотую кипелку), гидратную (гашеную или пушонку).
Негашеная комовая известь(кипелка). Технология получения извести включает ряд этапов: прокаливание карбоната кальция и магния, содержащихся в исходной породе, до оксидов кальция и магния и углекислого газа. После обжига куски извести становятся легкими и пористыми. При смачивании водой бурно реагируют, превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды – в пластичное тесто. Этот процесс, который длится не менее 2 недель, называют гашением извести. При гашении извести выделяется теплота, что резко повышает температуру извести и воды, поэтому негашеную известь называют кипелкой.
При испарении воды тесто загустевает и переходит в камневидное состояние. Главным недостатком извести является медленное твердение. В зависимости от количества взятой для гашения воды получают различные модификации гидратной извести:
– пушонку с массовой долей воды 50–70 % от массы извести, т. е. в количестве, необходимом для протекания реакции гашения;
– известковое тесто с массовой долей воды 300–400 % от массы извести (т. е. в 5–6 раз больше теоретически необходимого для гашения);
– известковое молоко с массовой долей воды 500–700 % от массы извести (т. е. в 8–10 раз больше теоретически необходимого для гашения).
Негашеную порошкообразную известь(молотую кипелку) получают из комовой. Для этого ее измельчают с введением в нее активных добавок – шлаков, золы в количестве 10–20 %. При затворении водой порошкообразная известь ведет себя подобно гипсовым вяжущим: сначала образует пластичное тесто, а через 20–40 мин схватывается. Это происходит из-за того, что часть воды затворения, образующая тесто, расходуется на гашение извести. При этом известковое тесто густеет и теряет пластичность. Благодаря меньшему количеству свободной воды материалы на основе порошковой извести менее пористые и более прочные.
Гидратная известь(пушонка) – белый тончайший порошок, получаемый при гашении извести небольшим количеством воды (немного выше теоретически необходимого). В процессе гашения гидратная известь увеличивается в объеме в 2–2,5 раза, и куски комовой извести рассыпаются, превращаясь в тонкий порошок. Очень большая удельная поверхность частиц Ca (OН) 2и их способность хорошо удерживать влагу обусловливают большую пластичность известкового теста.
Механизм твердения извести. В процессе твердения происходит усадка, которая может вызвать растрескивание, особенно при оштукатуривании на жестком основании, поэтому в состав извести всегда входят заполнители (песок, опилки) или другие вяжущие, например цемент и т. п.
Известковое тесто, если оно защищено от высыхания, может неограниченно долго сохранять пластичность. Затвердевшее известковое тесто при увлажнении вновь переходит в пластичное состояние. Однако при длительном (десятилетия) твердении известь приобретает высокую прочность и относительную водостойкость.
При длительном контакте извести с кварцевым песком в присутствии влаги образуются гидросиликаты кальция, повышающие прочность и водостойкость бетонов и кирпичной кладки на основе извести. Получаемая при этом известь называется гидравлической.
Так ее называют потому, что в воде (в отличие от воздушной) она способна дополнительно набирать прочность. Предел прочности гидравлической извести аналогичен воздушной, однако резко возрастает ее долговечность как в сухих, так и во влажных условиях. Воздушную известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, при производстве силикатного кирпича, ячеистых блоков, силикатобетонных изделий, для получения смешанных вяжущих (известково-шлаковых, известково-зольных) и для производства красок.
