Вяжущие вещества и материалы

В настоящие время промышленность выпускает многообразные декоративно-отделочные материалы и изделия на основе вяжущих веществ, позволяющие улучшить художественные характеристики современной архитектуры и дизайна любых помещений. В связи с этим художник-технолог и дизайнер должны владеть не только различными техниками и технологиями использования различных материалов, но и уметь хорошо разбираться в обширной номенклатуре этой продукции, подбирать для конкретных условий применения наиболее эффективные и подходящие ее виды с учетом качественных показателей. Они также должны иметь представления о физико-химической сущности различных процессов переработки исходного сырья в готовый продукт, гидратации и твердения, подробно описанных ниже.

Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовые вяжущие вещества представляют собой тонкоиз- мельченные продукты частичной или полной дегидратации дигидрата сульфата кальция, способные при затворении водой вследствие протекания обратной реакции гидратации схватываться, твердеть и превращаться в прочный камень в воздушно-сухой среде (при относительной влажности воздуха не более 60 %).

Гипсовые вяжущие находят широкое применение благодаря быстрому схватыванию и твердению. Они способны за короткий срок приобретать достаточно высокую прочность.

Сырьевые материалы и дегидратация двуводного гипса

В настоящее время основным видом сырья для производства гипсовых вяжущих во всем мире являются природные разновидности гипсового камня: двуводный (CaS04-2H20) или ангидрит (безводная соль, CaS04), которые относятся к осадочным породам.

Основным минералом природного гипсового камня (рис. 2.1) является двуводный гипс. Он без красящих примесей является бесцветным и прозрачным. Примеси (глины, кремнезема, известняка, доломита, органических веществ и др.) в зависимости от количества могут придавать гипсу окраску от белой до темно-серой и бурой, желтой, голубой, розовой, иногда до черной. Чистые разновидности гипсового камня содержат не более 1—3 % примесей.

Добыча гипсового камня в шахте Бебяевского месторождения

Рис. 2.7. Добыча гипсового камня в шахте Бебяевского месторождения

В зависимости от структуры природного гипсового камня различают мелкозернистый плотный гипс с сахаристым изломом, иногда называемый алебастром.

Природный ангидрит (рис. 2.2) представляет собой горную породу кристаллического строения на основе минерала состава CaS04. Он встречается в природе в виде сплошных зернистых масс или реже в виде хорошо образованных призматических кристаллов. Цвет ангидрита от белого до темно-серого.

Борнуковский ангидрит в Борнуковской пещере

Рис. 2.2. Борнуковский ангидрит в Борнуковской пещере

Гипсовые вяжущие производятся только из гипсового камня, в то время как ангидритовое вяжущее (цемент) — как из гипса, так и ангидритового камня, содержащего не менее 30 % гипса.

Для производства гипсовых вяжущих, предназначенных для фарфорово-фаянсовой промышленности, медицины, а также белого, глиноземистого и расширяющегося цемента используют гипсовый камень, содержащий не менее 95 % CaS04-2H20.

Изготовление гипсовых вяжущих веществ базируется на тепловой обработке гипсового камня, в результате которой протекают постепенные процессы его обезвоживания (дегидратация). Так, вода в кристаллической решетке природного гипса связана слабо, она может начать выделяться уже при температуре 60 °С. Сам процесс дегидратации зависит в значительной мере от условий его проведения. В соответствии с этим и по мере увеличения температуры образуются различные продукты дегидратации.

При удалении кристаллизационной воды из двуводного гипса в виде пара происходит тонкое измельчение частиц гипса и разрыхление его кристаллической решетки. При этом продукт приобретает повышенную подвижность и создает псев- досжиженный «кипящий» слой. Образующиеся кристаллы (3-CaSO4-0,5H2O мелкие, плохо выраженные, имеют игольчатое строение, которые образуют агрегаты. Однако размер и форма кристаллов полугидрата сохраняются такими, какими были у CaS04-2H20.

Удаляемая кристаллизационная вода образует поры, как между отдельными кристаллами, так и внутри их. Именно поэтому |3-CaSO4-0,5H2O имеет удельную поверхность в 2—2,5 раза большую по сравнению с a-CaSO4-0,5H2O.

В случае удаления кристаллизационной воды в капельножидком состоянии образуется a-CaSO4-0,5H2O. При этом кристаллы полугидрата не разрыхляются, они крупные, плотные и кристаллизуются в виде хорошо сформированных крупных прозрачных призм. В дальнейшем происходит перекристаллизация а-полугидрата, приводящая к увеличению толщины кристаллов и уменьшению их длины.

Вышеизложенный процесс получения полугидратов обусловливает различные свойства гипсовых вяжущих на основе а- и (3-форм: (3-CaSO4-0,5H2O отличается более высокими значениями дисперсности и водопотребности, пористости, большей скоростью взаимодействия с водой, меньшей плотностью и прочностью получаемого гипсового камня. Причем, повышенная водопотребность у (3-CaSO4-0,5H2O приводит к избыточному содержанию воды, добавляемой к вяжущему сверх стехиометрии по реакции:

которая в дальнейшем неизбежно испаряется, поризуя при этом затвердевшее изделие и, тем самым, снижая его прочность. Несмотря на это, |3-полугидрат, являясь основной составляющей строительного гипса, существенно дешевле и составляет основную часть гипсовых вяжущих.

Кроме того, необходимо учитывать, что при обжиге двуводного гипса до полугидрата в составе продукта может также находится растворимый и даже нерастворимый ангидрит, что сказывается на свойствах. Растворимый ангидрит на воздухе поглощает влагу и превращается в полугидрат. Следовательно, у несколько пережженного гипса при вылеживании качество повышается, тогда, как примесь недожженного гипса при недостаточном обжиге представляет собой балласт и неблагоприятно влияет на механическую прочность затвердевшего вяжущего, а также на скорость схватывания. Одновременное содержание в строительном гипсе растворимого ангидрита и сырого гипса вызывает весьма быстрое схватывание, так как первый быстро растворяется и переходит в двуводный гипс, а второй создает центры кристаллизации.

Повышение температуры термообработки двуводного гипса до 170—180 °С и 200—210 °С приводит к образованию обезвоженных полугидратов соответственно (3- и а-модификации. Однако, они существуют в узком интервале температур и практического значения не имеют.

При дальнейшем повышении температур до 220°С и более 300 °С a-CaSO4-0,5H2O превращается в растворимый a-CaS04, a (3-CaSO4-0,5H2O переходит в растворимый (3-CaS04. При этом расстояние между соседними ионами Са2+ и S04_ несколько увеличивается. Растворимые ангидриты вследствие перестройки моноклинной кристаллической решетки в ромбическую имеют более высокую по сравнению с полугидрат- ными модификациями удельную поверхность и, как следствие, на 20—30 % большую водопотребность, быстрое схватывание и пониженную прочность затвердевшего камня. Из этого вытекает, что крайне нежелательно повышать оптимальные температуры при получении полугидратных модификаций во избежание образования растворимых ангидритов.

В растворимых ангидритах при температуре выше 450 °С расстояние между вышеуказанными ионами уменьшается (именно этот фактор снижает активность ангидрита по отношению к воде) и они превращаются в нерастворимый CaS04, аналогичный по структуре природному ангидриту. Этот процесс сопровождается уменьшением удельной поверхности и, как следствие, снижением водопотребности, удлинением сроков схватывания и твердения. Нерастворимый ангидрит (природный или полученый обжигом гипсового камня) самостоятельно практически не гидратируется и не твердеет, и только в присутствии минеральных добавок он может проявлять вяжущие свойства. В качестве таких добавок (катализаторов реакции гидратации CaS04) могут быть использованы известь, растворимые сульфаты, доменные шлаки, золы ТЭЦ и др., именно введением активаторов получают различные виды ангидритового цемента.

Повышение температуры термообработки выше 750 °С приводит к существенному изменению свойств продукта, который приобретает способность схватываться и твердеть. Это объясняется началом частичной диссоциации сульфата кальция в интервале 900—1000 °С, что приводит к появлению в составе продукта свободного СаО в количестве 2—3 %. Так, нерастворимый ангидрит CaS04 является основным компонентом высокообоженного гипса (эстрих-гипса), который обладает способностью схватываться и твердеть именно благодаря присутствию в его составе свободного СаО. При температуре 1495 °С ангидрит плавится и полностью разлагается на СаО, S02 и 02.

Высокообжиговые гипсовые вяжущие по сравнению с низкообжиговыми обладают лучшими эксплуатационными свойствами.

Однако на практике гораздо больший объем сырьевого материала обжигают в печи, сырье поступает с постоянно меняющимся химическим составом (из-за наличия различного рода и количества примесей) и существует невозможность создания совершенно однородного теплового поля, поэтому для ускорения обжига приходится применять более высокие температуры. Вследствие этого целевой продукт будет иметь всегда по- лиминеральный состав, т. е., например, в строительном гипсе наряду с (3-CaSO4-0,5H2O присутствует еще и растворимый CaS04, а также остатки исходного CaS04*2H20.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >