Вяжущие вещества: свойства, классификация, описание, применение

Гидравлические вяжущие

Наиболее массовым видом гидравлических вяжущих являются цементы, а среди них на первом месте стоит портландцемент — искусственное вяжущее, получаемое из природных мергелей или смеси известняка с глиной.

Исходный материал измельчают, затворяют водой и обжигают до спекания во вращающихся цилиндрических печах. Продукт обжига (клинкер) измельчают в шаровых мельницах. Получаемый при помоле тонкий порошок светло-серого цвета и является цементом.

Цемент является наиболее универсальным, но вместе с тем и наиболее дорогим из неорганических вяжущих.

При затворении цемента водой в количестве 20—50% образуется цементное тесто, которое по истечении некоторого времени схватывается, превращаясь в цементный камень. Твердение цементного камня при благоприятных температурно-влажностных условиях продолжается многие годы. Однако прочность нарастает быстро только в первое время и поэтому за стандартный срок твердения цемента принят период в 28 дней (4 недели).

Прочность цементов характеризуется их марками. Для определения марки цемента приготовляют стандартные образцы в виде балочек размерами 4X4X16 см (принимая 3 части песка на 1 часть цемента). Балочки испытывают на изгиб (до разрушения), а половинки их на сжатие.

Маркой цемента называется численная величина предела прочности в кг/см2 при испытании на сжатие. Кроме того, для цемента каждой марки стандартом установлена и минимальная прочность на изгиб.

Цементная промышленность сейчас производит основные марки портландцемента 300, 400, 500, 600 и 700.

Обыкновенный портландцемент применяется для бетонных и железобетонных конструкций, за исключением подверженных действию морской, минерализованной или даже пресной, но проточной воды.

Другие виды цемента:

• шлакопортландцемент, получаемый совместным помолом цементного клинкера с доменным гранулированным шлаком (в количестве 30—70%), который, являясь отходом доменного производства, сам со себе обладает вяжущими свойствами;
• пуццолановый портландцемент, получаемый совместным помолом цементного клинкера со специальными дотиками, которые при твердении цемента связывают свободную известь и этим повышают стойкость бетона против выщелачивания;
• глиноземистый цемент (марок 400, 500 и 600), отличающийся особо быстрым твердением; в отличие от других цементов, глиноземистый цемент достигает своей марочной прочности уже через 3 дня.

Расширение производства быстротвердеющих цементов имеет большое народнохозяйственное значение, так как дает возможность ускорить и удешевить процесс изготовления сборного железобетона, а также ускорить возведение монолитных железобетонных конструкций, так как скорость твердения цемента определи ет и скорость твердения бетона.

Виды воздушных минеральных вяжущих веществ

Воздушное вяжущее вещество – это жидкое стекло, которое представляет собой коллоидный раствор кремниевой кислоты в едкой натриевой или калиевой щелочи, темно-желтый или коричневый цвета.

Основные виды воздушных вяжущих веществ – это натриевое и калиевое жидкое стекло.

Натриевое жидкое стекло в зависимости от вида исходного химического элемента подразделяется на содовое с модулем 2,32-3,5 и плотностью 1,36-1,5 г/см3 и содово-сульфатное с модулем 2,31-3 и плотностью 1,43-1,45г/см3. Это воздушное минеральное вяжущее вещество применяется для уплотнения грунтов и приготовления жароупорных и огнеупорных бетонов (растворов), а также огнезащитных обмазок. Также натриевое жидкое стекло используется совместно с кремнефтористым натрием или с другими специальными добавками и молотыми наполнителями в качестве вяжущего вещества в виде водного раствора.

Калиевое жидкое стекло используется для приготовления кислотостойких бетонов (растворов) и применяется в производстве силикатных красок. Модуль этого воздушного минерального неорганического вяжущего вещества должен быть в пределах 3-4, а плотность — 1,4-1,42 г/см3.

При изготовлении кислотостойких бетонов и растворов для ускорения твердения жидкого стекла добавляется кремнефтористый натрий 1-го и 2-го сортов.

Вяжущие вещества — материалы для строительства

Всем хорошо известная глина относится к наиболее распространенным из вяжущих материалов, твердеющих в воздушной среде. Она нашла свое применение при возведении самых разных зданий. Представляет собой глина осадочную породу, существующую как смесь пылевидных частиц микроскопического размера с песком и мелкими глинистыми вкраплениями. Мельчайшие из них получили название тонкодисперсных. Именно их наличие позволяет при попадании во влажную среду превращаться в тестообразную субстанцию. Высохнув, данная пластичная масса легко застывает в заданной ей форме.

Если такую форму обжечь, то полученный камень искусственного происхождения обладает достаточно высокой прочностью. Как и другие минеральные вяжущие вещества, из-за различного состава глины могут быть разнообразных оттенков. Из растворов на их основе кладут камины, печи, а также формуют кирпичи. Они же могут быть тощими, жирными и средними. Глина-шамот обладает огнеупорными качествами, поэтому незаменима при устройстве каминов и печей.

И еще о гипсе

Строительный гипс выглядит как порошок цветом от сероватого до ярко-белого. Если смешать его с водой, начинается характерная реакция, при этом происходит нагревание смеси. В гипс принято добавлять специальные материалы, именуемые удерживающими добавками, назначение которых — улучшать консистенцию и сцепление с поверхностью во время оштукатуривания, а также слегка продлевать срок твердения.

Чтобы повысить объем материала без потери рабочих свойств, вводят наполнители (например, из вспученного перлита или слюды). Специальный высокопрочный гипс обжигают при высоких температурах, в процессе кристаллическая вода из него удаляется. Срок его твердения увеличен до 20 часов, а твердость гораздо больше, чем у прочих разновидностей.

Штукатурный гипс пропитывают и получают мраморный (ярко-белый, медленно твердеющий и применяемый для оштукатуривания внутренних поверхностей), причём при изготовлении в него вводятся различные наполнители и удерживающие добавки. Основной смысл большинства таких добавок — служить замедлителем схватывания. С целью производства внутренней штукатурки его готовят в штукатурных машинах с возможным добавлением определенных наполнителей, например, песка.

Из него же получают сухую штукатурку или гипсокартонные строительные плиты, также гипс применяют при заполнении швов между ними. Бывает гипс шпатлевочный, обладающий аналогичными свойствами.

Схватывание

Схватывание — потеря тестом вяжущего пластично-вязких свойств и формирование структуры с молекулярными, вандер-ваальсовыми связями. Момент, когда появляются признаки загустевания теста, т. е. оно начинает терять пластичность, говорит о начале схватывания.

Момент, когда тесто превращается в твердое тело, окончательно теряя пластичность, но не приобретая еще практически значимой прочности, называют концом схватывания.

Сроки схватывания гипса 4-30 мин, портландцемента — несколько часов.

Схватывание — явление, характерное для вяжущих, твердеющих по физико-химическому механизму (гипс, цементы).

У простейших вяжущих (глина, известь), твердеющих в результате испарения воды, этап схватывания растягивается на очень длительный период времени, поэтому принято считать, что он просто отсутствует.

Сроки схватывания необходимо знать, так как все работы со смесями на основе вяжущих должны заканчиваться до начала их схватывания, пока они не потеряли пластичности. Повторное перемешивание после схватывания, особенно с добавлением воды, может привести к существенному снижению прочности материала на этом вяжущем.

Классификация неорганических вяжущих веществ

Неорганическими вяжущими веществами называются тонкоизмельченные порошки, образующие с водой клейкое пластичное тесто, постепенно загустевающее и переходящее в камнеподобное состояние.

Превращение вяжущего порошка в камень происходит в результате его химического взаимодействия с водой.

По условиям твердения неорганические вяжущие вещества подразделяют на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества затвердевают и длительное время сохраняют прочность только в воздушной среде. Во влажных условиях они частично или полностью теряют прочность. К таким вяжущим относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, растворимое стекло, которые применяются для конструкций, находящихся в воздушно-сухих условиях.

Гидравлические вяжущие вещества могут затвердевать не только на воздухе, но и в воде. К этим веществам относятся гидравлическая известь, портландцемент, глиноземистый цемент и многие другие. Свойства гидравлических вяжущих позволяют использовать их для конструкций, находящихся как в сухих, так и во влажных условиях, — для стен, фундаментов, гидротехнических сооружений и т. д.

Эти вяжущие обладают и более высокой прочностью, чем воздушные, поэтому в современном строительстве применяются более широко.

Неорганические вяжущие вещества используются в основном для изготовления искусственных каменных материалов.

В зависимости от состава различают следующие виды строительных смесей на основе вяжущих веществ:
— цементное тесто — смесь вяжущего вещества и воды; отвергшее цементное тесто называют цементным камнем;
— строительный раствор — отвердевшая смесь вяжущего вещества, воды и песка; до затвердевания эта смесь называется растворной смесью;
— бетон — отвердевшая смесь вяжущего вещества, воды, песка и гравия (или щебня); до затвердевания она называется бетонной смесью.

В виде теста вяжущие находят сравнительно редкое применение. Обычно они применяются в смеси с заполнителями, т.е. в виде растворов или бетонов. При использовании заполнителей уменьшается расход вяжущих, повышаются технические качества изделий из них, уменьшается усадка и снижается стоимость бетонов и растворов, так как песок и гравий (щебень) в 2-3 раза дешевле вяжущих.

ЧОбщие сведения о железобетонеАсбестоцементные изделияИзделия на основе гипсаТяжелые бетоны специального назначенияИскусственные каменные материалы и изделия на основе вяжущих веществБитуминозные кровельные и гидроизоляционные материалыАсфальтовые и дегтевые растворы и бетоныДегти и пекиПриродные битумыБитуминозные материалы

Классификация

Минеральные вяжущие

Неорганическими (минеральными) вяжущими веществами называют порошкообразные тонко измельченные вещества, которые при смешивании с водой (иногда с растворами солей) образуют пластическое тесто, которое в дальнейшем затвердевает и соединяет в монолит разрозненные сыпучие материалы.

Все минеральные вяжущие подразделяют на 4 группы:

1. Воздушные вяжущие вещества.
Это вяжущие, которые после смешивания с водой затвердевают и длительно сохраняют свои свойства только на воздухе. Связано это с тем, что образующиеся новые гидратные соединения хорошо растворимы в воде.
Воздушные вяжущие вещества необходимо использовать только в воздушных сухих условиях.
Примеры: гипс, воздушная известь, магнезиальные вяжущие и др.

2. Гидравлические вяжущие вещества.
Это вяжущие вещества, которые твердеют и длительно сохраняют свои свойства в воде. Они могут длительно эксплуатироваться в водной среде, потому что образуют гидратные соединения, которые устойчивы к водной среде.
Примеры: романцемент, портландцемент и др.

3. Кислотостойкие вяжущие вещества.
Это вяжущие вещества, которые могут длительно эксплуатироваться при воздействии кислот.
Пример: кислотоупорные, кремнефтористые, кварцевые цементы и др.

4. Автоклавные вяжущие вещества.
Это вяжущие вещества, которые затвердевают только при обработке в автоклавах, то есть при температуре 170—300 °С и давлении от 8 до 16 атмосфер.
Пример: все вяжущие полученные на основе извести и любого кремнеземистого или глиноземистого компонента.

Органические вяжущие

Органические вяжущие вещества — смеси высокомолекулярных углеводородов. Представляют собой вязкий или жидкий материал, который переходит в рабочее состояние при изменении температуры или при контакте с органическими жидкостями (в некоторых случаях используется ультрафиолетовое излучение).[неавторитетный источник?]

Основными органические вяжущими веществами являются:

2. Дегти — вязкие жидкости черного или бурого цвета, состоящие из углеводородов и их сернистых, азотистых и кислородных производных. Применяются в дорожном строительстве и для производства гидроизоляционных материалов.

Существуют два способа производства хлористого магния:

1. извлечение из сгущенной, в результате испарения, морской воды — из морских лиманов или соленых озер
2. получение на химических заводах в виде отхода при производстве калийных удобрений.

Кроме хлористого магния в качестве затворителей можно применять растворы сернокислого магния, кислого сернокислого натрия, железного купороса, природного минерала. карналита, а также серной и соляной кислот. Однако наивысшую прочность имеет магнезиальное вяжущее вещество, затворенное на хлористом магнии, а несколько меньшую затворенное на карналите или сернокислом магнии.
Сернокислый магний имеет то преимущество перед другими затворителями, что придает магнезиальному вяжущему меньшую-гигроскопичность.

При затворении каустического магнезита раствором хлористого магния или других, указанных выше, солей происходят схватывание и твердение, которые ускоряются при повышении температуры.
Магнезиальное вяжущее применяется в строительстве главным образом в соединении с органическими заполнителями (с древесной стружкой и опилками), поскольку оно не вызывает разложения органических веществ и дает с ними хорошее сцепление.

Под действием воды это вяжущее разрушается, так как из него вымываются растворимые соли.

Магнезиальное вяжущее испытывают на сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность.

Методика испытаний та же, что и для обыкновенного цемента, но со следующими изменениями:

• тесто нормальной густоты приготовляют из магнезита, затворенного раствором хлористого магния с удельным весом 1,20;
• образцы хранят не в воде, а на воздухе при обычной комнатной температуре и влажности;
• прочность испытывают только на растяжение, причем состав;
• раствора входят магнезит и сосновые опилки в отношении 3: I (по весу).

Магнезиальное вяжущее характеризуется следующими свойствами:

1. начало схватывания не ранее 20 мин., конец не позднее 6 час. от начала затворения;
2. предел прочности при растяжении через сутки не ниже 15 кг/см2;
3. магнезиальный раствор с сосновыми опилками состава 3 : 1 (по весу) пластичной консистенции через 28 дней обычно имеет прочность на сжатие от 200 до 300 кг/гм2, что соответствует
   прочности цементов высоких марок

Таким образом, магнезиальное вяжущее нормально схватывает, быстро твердеет на воздухе, обладает заметной прочностью уже через сутки и высокой прочностью через 28 дней.

Важнейшие физические свойства органических вяжущих веществ следующие:

1. легкость — уд. вес от 0,80 до 1,30; у нефтяных битумов уд. вес около 1, у каменноугольных дегтей больше 1;
2. способность твердых битумов и пеков размягчаться при определенной температуре (в пределах от 25 до 130°);
3. вязкость — она определяет подвижность, способность битумов и дегтей стекать по наклонной плоскости кровли при различной температуре;
4. устойчивость при нагревании, например до 160°, определяемая по изменению свойств органического вяжущего и потере веса при удалении летучих частей; при низких температурах свойства органического вяжущего могут ухудшиться, часто повышается его хрупкость,
5. пластичность, характеризуемая растяжимостью;
6. твердость, которую определяют по степени проникания в материя иглы под нагрузкой;
7. прочность (при растяжении и сжатии);
8. гидрофобность;
9. водонепроницаемость в силу этого пленки или порошки из многих органических вяжущих веществ, часто в сочетании с другими материалами, используют для гидроизоляции;
10. химическая стойкость по отношению к действию кислот и щелочей (характерна не для всех органических вяжущих ее необходимо проверять в каждом конкретном случае);
11. как правило, высокие электроизолирующие свойства.