Гидравлические вяжущие вещества: получение, свойства и применение

Получение, свойства и применение гидравлических вяжущих веществ

Бетон под водой не размокает, а наоборот — набирает прочность. За этим стоит особый класс материалов, которые твердеют именно во влажной среде. Ниже разберём, что относят к гидравлическим вяжущим, какими путями их получают, как устроена гидравлическая известь и где всё это находит применение.

Ключевая черта гидравлических вяжущих — умение затвердевать прямо в воде. Обычно это тонкоизмельчённые порошки, где основу составляют соединения кальция с кремнезёмом или глинозёмом. Первые называют силикатами, вторые — алюминатами кальция.

Два пути получения

Нужные соединения добывают двумя основными способами.

Способ первый — обжиг. Берут природную либо искусственно составленную смесь известняка и глины и подвергают её обжигу. Известняк при этом распадается, выделяя оксид кальция, который тут же вступает в реакцию с окислами глины. Так на выходе получают портландцементы и гидравлическую известь.

Способ второй — смешивание. Известь соединяют с материалами, содержащими окислы в активной форме, — они и реагируют с известью. Такие добавки называют гидравлическими, а результатом становятся пуццолановые портландцементы и известково-пуццолановые цементы.

Гидравлическая известь: что это и как её делают

Сырьё для неё носит название маргелистых известняков — помимо основы, в них присутствуют песок, углекислый магний и прочие примеси. Производственная цепочка выглядит так: сырьё дробят на куски размером 6–15 см, обжигают, а готовый продукт размалывают в порошок. На заводах обжиг чаще всего ведут в шахтных печах при 900–1100 °C. Чем больше в породе глинистых соединений, тем ниже опускают температуру. Точно выдержанный режим обжига здесь принципиален — от него напрямую зависит качество результата.

Что происходит при обжиге

В печи разворачиваются два основных процесса:

1. Декарбонизация. Карбонат кальция распадается на оксид кальция и углекислый газ, который уходит.
2. Связывание оксида кальция. Часть образовавшегося CaO соединяется с компонентами глины — диоксидом кремния, оксидами алюминия и железа. Продуктами становятся двухкальциевый силикат, однокальциевый алюминат и двухкальциевый феррит.

Оставшийся оксид кальция сохраняется в свободном виде. Иногда в составе оказываются также непрореагировавшие зёрна кварца и оксид магния. Важный нюанс: гаситься и твердеть на воздухе способны только свободные оксиды кальция и магния. А вот силикаты, алюминаты и ферриты набирают прочность лишь во влажных условиях — именно они и дают извести гидравлические свойства. Получается, что материал сочетает два типа соединений: одни твердеют на воздухе, другие — в воде.

Как содержание глины меняет свойства

Чем больше в исходной породе кремнистых и глинистых веществ, тем активнее образуются силикаты, алюминаты и ферриты кальция — и тем меньше в извести остаётся свободного оксида кальция. В какой-то момент можно дойти до предела, когда свободного CaO не остаётся вовсе, и известь теряет способность гаситься.

По количеству глинистых примесей выделяют две разновидности:

• слабогидравлическая известь — гидравлический модуль от 4,5 до 9;
• сильногидравлическая известь — гидравлический модуль от 1,7 до 4,5.

Значение модуля выше 9 означает, что перед нами уже воздушная известь, а ниже 1,7 — романцемент.

Как известь твердеет

Твердение гидравлической извести идёт по двум сценариям сразу — воздушному и гидравлическому. Правильная последовательность такая: сначала создают условия воздушного твердения, чтобы прошла начальная кристаллизация свободной гидратной извести, а затем переходят к влажным (гидравлическим), необходимым для гидратации силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Закономерность простая: чем выше доля свободного оксида кальция, тем дольше материал должен выдерживаться в сухой воздушной среде.

Где применяют

Гидравлическую известь пускают на изготовление штукатурных и кладочных растворов. Бетоны на её основе хороши тем, что подходят для конструкций, работающих как на воздухе, так и во влажной среде.