CC BY
88КудеяроваН. П., канд. техн. наук, проф., Бушуева Н.П., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ДИСПЕРСНОСТЬ ПРОДУКТОВ ГАШЕНИЯ ИЗВЕСТИ КАК ВАЖНЫЙ ФАКТОР УСКОРЕНИЯ ТВЕРДЕНИЯ СМЕШАННОГО ВЯЖУЩЕГО
И ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ПРОЧНОСТИ
Скорость процессов твердения вяжущих, содержащих известь, определяет химическая активность гидроксида кальция. Установлено, что получение наиболее дисперсных и активных продуктов гашения извести можно регулировать температурным режимом, что достигается изменением во-дотвердого отношения вяжущего.
Ключевые слова: известь, гидроксид кальция, вяжущее, дисперсность, гидратация, гидротермальная обработка._
Сложный процесс твердения молотой негашеной извести начинается с поверхностной гидратации, основу которой составляет растворение оксида кальция на ассоциированные комплексы Са(ОН)2 [1], которые в дальнейшем растворяются в зависимости от величины рН. Завершением процесса является кристаллизация гидроксида кальция. На скорость протекания этих процессов оказывают влияние факторы, среди которых можно выделить температуру воды, водотвердое отношение (В/Т) и концентрация известкового компонента в вяжущей композиции.
Согласно теории Е.Е. Сегаловой и П.А. Ре-биндера процесс гидратации оксида кальция можно разделить на три стадии:
1 стадия - растворение оксида кальция и образование насыщенного относительно его раствора;
2 стадия - образование пересыщенного раствора относительно гидроксида кальция по причине различия их растворимости;
3 стадия - кристаллизация гидроксида кальция из раствора как менее растворимого соединения сравнительно с СаО.
Процесс гидратации извести в значительной мере зависит от отношения Т:Ж (твердая : жидкая фаза) [2] и рН. Так при рН<7 и Т:Ж=1:10 в растворе имеет место повышенное содержание иона который абсорбируется на ионах О -оксида с образованием ОН- ионов. Ослабленная связь между Са2+ и кислородом делает энергетически более выгодным переход ионов Са2+ в жидкую фазу. Жидкая фаза насыщается ионами Са2+ и ОН-, но в кислой среде произведение растворимости (Пр) Са(ОН)2 не достигается. При Т:Ж=1:10 и рН=7 имеет место адсорбция диполей воды на поверхности оксида, их диссоциация на ионы Н+ и ОН-, осуществляются электронные переходы между ОН- и Са2+ и О2- и Н+ с
образованием на поверхности оксида молекул Са(ОН)2о и их последующий отрыв в объём жидкости с образованием Са(ОН)2кр.
При Т:Ж = 1:10 и рН>7 имеет место адсорбция ОН- на ионах Са2+ оксида и молекул Н2О на ионах О2-, осуществляются электронные переходы от ОН- к Са2+ с образованием Са(ОН)+ и от О2- к Н2О при одновременном разрыве связей ОН - Н с образованием ОН- как на поверхности, так и в растворе. Энергия, которая выделяется при этом, достаточна только для разрыва связи ионной пары Са2О2-, а для диссоциации Са(ОН)2о на поверхности СаО энергии недостаточна, и эта молекула как единое целое может выходить в раствор и там кристаллизоваться в Са(ОН)2кр.
При Т:Ж=2,5 (порошок) из-за нехватки воды величина рН заметно не влияет на механизм процессов гидратации. При этом установлена адсорбция молекул воды на поверхности и их диссоциация на ионы и ОН-. Установлены электронные переходы между ОН- и Са2+, О2- и Н+
с образованием на поверхности комплексов в виде Са(ОН)2о с образованием мелкодисперсного порошка. Процессы, указанные выше, при Т:Ж=2,5 протекают в тонкой водной пленке, поскольку исходные кусочки извести впитывают практически всю свободную воду сразу же после смешения извести с водой.
Для практических условий наиболее приемлемым является вариант, когда водотвердое отношение выше теоретических значений и создается щелочная среда. Насыщенный известковый раствор имеет рН, равный 11,6 ... 12,4 [3]. В условиях автоклавного твердения вяжущих с использованием известкового компонента на скорость взаимодействия составляющих вяжущего значительную роль имеет химическая активность гидроксида кальция. Известно, что растворимость Са(ОН)2 с повышением темпера-
туры уменьшается и для условии автоклавного твердения изменяется от 1,34 г/л (при 10 °С) до 0,05 г/л (при 200 °С). Поэтому для более полного связывания извести на ранних стадиях гидротермального твердения вяжущего необходимо обеспечить более высокую скорость взаимодействия компонентов.
Вяжущие композиции для отдельных видов строительных материалов различны. Так в производстве силикатного кирпича используется известково-песчаное вяжущее, в производстве ячеистых автоклавных материалов в зависимости от плотности изделий может использоваться тоже известково-песчаное вяжущее при относительно низких плотностях изделий и смесь изве-
сти, песка и цемента - при более высоких плотностях. При увлажнении смешанного вяжущего в зависимости от их качества и соотношения компонентов изменяются температура процесса и дисперсность получаемых гидратов. Изменения температуры процесса для силикатной смеси, используемой в производстве силикатного кирпича, приведены в табл. 1. В исследовании использовалась известь активностью 85 %. Количество используемой воды рассчитано от теоретического расхода по реакции гидратации оксида кальция СаО+Н2О=Са(ОН)2. Коэффициент теоретического расхода воды по данной реакции составляет 0,32 (в последующем рассматривается увеличение этого коэффициента).
Таблица 1
Материал Водоизвестковое отношение
0,32 0,48 0,64 0,8 2,1
Известь активностью 85 % 201 158 98 95 90
Известково-песчаное вяжущее активностью 42,5 % 195 137 95 93 68
Силикатная смесь активностью 8 % 71 67 64 60 51
Установленные ранее зависимости по дисперсности продуктов гашения извести [4] показали, что при высоких температурах гашения (выше 100 оС) доля мелких частиц до 63 мкм составляет максимальные значения -свыше 90 %. Кварцевый песок, присутствующий в вяжущем или в силикатной смеси отводит часть теплоты на себя, что в конечном счете снижает температуру гашеной смеси. Тепловыделение при гашении извести в силикатной смеси почти в 2 раза меньше, чем при гашении извести в отдельности, что уменьшает парообразование при гашении и снижает долю мелких продуктов гашения более 2-х раз.
При равных соотношениях извести и песка в смеси теоретическое количество выделяемого тепла будет постоянным. Однако в условиях производства процесс гашения извести удлиняется по причине нескольких точек ввода воды, что приводит к снижению температуры гашения.
В условиях производства изделий ячеистой структуры процесс гашения извести замедляется вводом гипса. При гидратации извести активностью 80 % с добавкой гипса от 0,5 до 2,5% температура гашения понижается на 13о, что приводит к уменьшению количества мелкодисперсных частиц (табл. 2). Определение температурных и временных характеристик процесса гашения извести проводилось по стандартной методике.
Таблица 2
Изменение температуры гашения извести с добавкой гипса_
Добавка Время Температура Количество
гипса, гашения гашения частиц
мас.% извести, извести,оС размером
мин-сек до 63 мкм,
%
Без до- 2-45 97 77,5
бавки
0,5 4-45 90 76,8
1,0 8-45 87 75,2
1,5 13-00 86 74,8
2,0 14-00 85 74,3
2,5 17-00 84 70,3
Смеси извести и цемента при затворении водой в сравнении с гашением извести отличаются по температурным характеристикам. Высокая скорость гидратации СаО приводит к изменению температуры и состава жидкой фазы, что отражается на скорости гидратации цемента в смешанном вяжущем. При затворении цемента насыщенным раствором извести сроки схватывания цемента замедляются почти в два раза. При гашении извести в смеси с цементом загу-стевание известково-цементного теста протекает быстро и связано с увеличением продуктов гашения извести. Изменение температурных характеристик процесса совместной гидратации компонентов смешанного вяжущего зависит от водотвердого отношения как и при гидратации оксида кальция с различием абсолютного значения температур. При гидратации известково-цементного вяжущего при соотношении компонентов приближенного к ячеистым бетонам
возможно достижение наибольших значений температур (96°С) при теоретическом расходе воды по отношению к извести и использованию высокоактивной извести (табл. 3). Изменение температуры процесса можно условно отнести к гидратации оксида кальция, так как на ранних стадиях тепловыделение при гидратации цемента незначительно. Поэтому максимальное коли-
чество мелкодисперсной фракции в гидратиро-ванной смеси относится к продуктам гашения извести. С увеличением расхода воды от теоретических значений к практическим показателям происходит значительное замедление процесса гашения извести в смеси с портландцементом и уменьшение мелкодисперсных частиц на 20 и более %.
Таблица 3
Характеристика процесса гидратации смешанного вяжущего (соотношение известь : цемент = 1 : 0,8)
Материал Водоизвестковое отношение
0,32 0,48 0,64 0,8
Максимальная температура гидратации, °С 96 45 42 40
Время достижения максимальной температуры гидратации, мин 30,5 73,5 95,2 100,2
Количество частиц размером до 63 мкм., мас. % 89,6 85,0 61,0 50,1
Сравнительный анализ температурного процесса и дисперсности получаемых в процессе гидратации продуктов показывает, что при раздельном гашении извести и теоретическом протекании процесса можно получить наиболее высокодисперсные частицы Са(ОН)2, при гашении извести в смешанном вяжущем (в смеси с цементом) наблюдается резкое уменьшение дисперсности продуктов гашения, что приводит к замедленному ее связыванию в процессе автоклавной обработки.
Характерные зависимости получаются при расширении состава смешанного вяжущего и, в частности, с введением в смесь кварцевого песка, который по причине низкой его активности при нормальных условиях не оказывает химического влияния на гидратацию портландцемента. Наличие в смеси извести повышает температуру и скорость процесса гидратации цемента, что положительно сказывается на прочностных показателях вяжущего.
Так, если измельченное известково-песчаное вяжущее при соотношении компонентов 1 : 1 за 6 часов изотермической выдержки набирает прочность свыше 30 МПа, то в смешанном вяжущем (известь : песок : цемент) при тех же режимах автоклавной обработки прочность не достигает 30 МПа [5]. Замедление процесса гашения извести в смешанном вяжущем с добавкой гипса приводит к снижению прочностных показателей.
Таким образом, условия протекания процесса гидратации вяжущей композиции влияют на скорость гидратации отдельных ее составляющих, что в конечном счете оказывают влияние на дисперсность продуктов гидратации и прочностные показатели вяжущего. При использовании вяжущего на основе извести с целью полу-
чения наиболее дисперсных и химически активных продуктов ее гашения необходимо управлять температурным режимом процесса гидратации оксида кальция, регулированием расхода воды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кудеярова Н.П., Бушуева Н.П., Бушуев Д. А. Ионные равновесия в системе СаО - Н2О / Материалы международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии». (ХХ научные чтения) Белгород: Изд-во БГТУ, 2011, Ч. 3. С. 70-73.
2. Хомченко Ю.В., Барбанягрэ В.Д. Влияние фракционного состава и водоизвесткового отношения на процессы гашения извести //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова, 2010. № 3. С. 120-122.
3. Бабушкин В.И., Матвеев Г.М., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов /Под ред. О.П.Мчедлова-Петросяна - 4-е изд. М.: Стройиздат, 1986. 408 с. (С. 255).
4. Кудеярова Н.П., Серебрянникова М.В. Получение высокодисперсного и активного гид-роксида кальция. Известия ВУЗов. Строительство. 1996. № 10. С.86.
5. Антошина Е.В., Кудеярова Н.П., Безрукова И.М. Скорость гидратации смешанных вяжущих и ее влияние на свойства ячеистых бетонов //Известия высших учебных заведений. Строительство. 2006. № 1. С. 39-43.
