3.4. Види твердіння повітряної будівельного вапна
Розрізняють два види твердіння вапна: 1) карбонатное твердіння; 2) гідратне твердіння; 3) гідросілікатное твердіння.
Карбонатне твердіння характерно для розчинів і бетонів на гашеного вапна і полягає в 2-х паралельно протікають процеси (за часом):
а) випаровування води з розчину і кристалізація вапна. Кристали Са (ОН) 2 зростаються між собою, утворюючи кристалічний каркас - "зросток", який є основою міцності каменю, цементуючий в єдиний кам'яноподібний конгломерат частки всіх компонентів в'яжучого і наповнювачів. У цих умовах процес кристалізації гідроксиду кальцію протікає дуже повільно, в зв'язку з чим обумовлюється невисокий рівень міцності вапняних в'яжучих в перші місяці твердіння.
б) карбонізації за рахунок вуглекислоти з повітря:
Са (ОН) 2 + СО2 + n Н2О = СаСО3 + (n + 1) Н2О.
Певний внесок в твердіння вапняних в'яжучих вносить також процес карбонізації гідроксиду кальцію вуглекислотою повітря, що протікає з помітною швидкістю лише в присутності вологи. Карбонізація дає додатковий приріст міцності, так як СаСО3 - малорастворимое в воді речовина. Процес твердіння йде дуже повільно, так як структура з кристалів Са (ОН) 2 - не дуже міцної, а карбонізує недостатньо ефективна через малу концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Через місяць твердіння на повітрі міцність досягає невеликих значень порядку 0,5-1 МПа і тільки через роки - 5-7 МПа.
У звичайних температурних умовах середовища твердіння хімічну взаємодію вапна з кварцовим піском і навіть з породами, що містять активний кремнезем, протікає досить повільно і практичного значення для міцності не має.
Гідратне твердіння характерно для меленої негашеного вапна. Воно полягає у взаємодії негашеного вапна з водою:
СаО + Н2О = Са (ОН) 2.
Умови гідратного тверднення: а) тонкий помел вапна; б) відведення зайвого тепла за рахунок застосування: холодної води; хімічних добавок, що уповільнюють гасіння та ін .; в) припинення перемішування на певному етапі; г) оптимальна кількість води замішування (в межах від 100 до 150%, якщо води буде менше 100%, то станеться гасіння в пушонку; якщо більше 150% - то гасіння в тісто). Ці умови дозволяють кристалів Са (ОН) 2 швидко зростатися один з одним з утворенням твердіє структури. Крім того, принципова відмінність цього виду твердіння від карбонатного полягає в тому, що велика кількість води хімічно зв'язується, і це сприяє більшій щільності і міцності виробів в порівнянні з одержуваними на гашеного вапна. Карбонізація додатково підвищує міцність виробів.
При замішуванні меленого негашеного вапна водою спочатку утворюється насичений, а потім пересичений (так як розчинність вапна з підвищенням температури падає) іонами Са2 + розчин. Створенню пересичення сприяє відсмоктування води ще непогашених-шейся внутрішньою частиною зерен вапна. При такому швидкому і сильному пересиченні розчину утворюються значні кількості колоїдного гідроксиду кальцію. Маси цього гідрату швидко коагулюють в гідрогель, склеює зерна в'яжучого і наповнювачів в єдиний кам'яноподібний конгломерат. У міру відсмоктування води внутрішніми шарами зерен вапна, а також її випаровування гельовідниє гідроксид кальцію ущільнюється, що супроводжується його зміцненням. Кристалізація гідроксиду кальцію в цих умовах також сприяє подальшому зростанню міцності. Підвищує міцність затверділого вапняного каменю (розчину) і подальша карбонізує гідроксиду кальцію.
Повільне і слабке пересичення розчину іонами Са2 + при застосуванні гашеного вапна обумовлює утворення кристалів гідроксиду кальцію, слабо пов'язаних між собою. Утворений же в цих умовах в незначних кількостях гель гідроксиду кальцію містить занадто багато води, в результаті його здатність, що клеїть невелика. Тому в композиціях на основі гашеного вапна гідратаціонной твердіння практично не реалізується.
При застосуванні меленого негашеного вапна в звичайних умовах її гідратаціонной твердіння ускладнюється швидким ходом процесу гідратації, що супроводжується значним виділенням тепла, а отже, і інтенсивним паротворенням, що послаблює і руйнує утворюється гелекрісталліческую структуру. Остання посилюється і збільшенням обсягу твердої фази при переході оксиду кальцію в гідроксид, що також розпушує формується структуру. Однак якби гідратація оксиду кальцію протікала з освітою не руйнується тепловим і об'ємним ефектами структури, то, як вже зазначалося, гідратаціонной твердіння вапна супроводжувалося б освітою щільного, а отже, і міцного матеріалу. Досягнення таких результатів можливо за умови швидкого і рівномірного відводу що виділяється при твердінні теплоти, при використанні жорстких форм, що не допускають збільшення обсягу твердіє маси, і при введенні добавок (гіпсу, СДБ і ін.), Що уповільнюють процес гідратації вапна. Що виникає в цих умовах гідратаціонной твердіння коагуляционная структура не тільки не руйнується, а навіть зміцнюється за рахунок подальшої кристалізації гідроксиду кальцію. Рівномірний випал і тонке подрібнення вапна покращують умови її гідратаціонной твердіння.
Гідросілікатное твердіння вапна. Твердіння за рахунок хімічної взаємодії між вапном і піском в умовах звичайних температур, що протікає виключно повільно, практично не відбувається. З дещо більшою, але також недостатньою для практичного використання швидкістю в цих умовах взаємодіють з вапном породи, що містять активний кремнезем (діатоміт, трепел, трас, опока, туф і т. Д.), А також тонкомолотий кварцовий пісок. Якщо ж вапняно-піщані суміші обробляти насиченою водяною парою при температурі вище 100 ° С (зазвичай при 174,5 ° С, чому відповідає тиск насиченої водяної пари 0,9 МПа), швидкість цієї взаємодії різко зростає. При цьому утворюються гідросилікати кальцію, що цементують вапняно-піщану суміш в міцний кам'яноподібний матеріал, що характеризується високою довговічністю та іншими позитивними якостями в умовах атмосферного впливу.
До теперішнього часу ідентифіковано більше 20 гідросилікатів кальцію, частина яких представлена природними мінералами (ксонотлітом, гіллебрандітом, тоберморіта), а інші синтезовані штучним шляхом. Все гідросилікати класифіковані за ознаками кристалічної структури і відповідно до них розділені на п'ять груп.
Гідротермальної твердіння при більш високих температурах або протягом тривалого часу супроводжується утворенням ксонотліта (C6S6H). Кінцевим продуктом гідротермальної синтезу в пористих вапняно-піщаних виробах, де фазові перетворення протікають швидше, може бути Гіроль (C4S6H5).
В даний час переважає думка, що при автоклавної обробці вапно і кремнезем розчиняються в рідкій фазі і взаємодіють в розчині, з якого викристалізовуються гідросилікати кальцію. Кожен гідросилікат утворюється і може бути стабільним лише за певних концентраціях контактує з ним розчину. Зміни складу рідкої фази обумовлюють зміни складу, структури і властивостей гідросилікатів кальцію.
Різні за складом (основності) і структурі гідросилікати кальцію значно розрізняються за властивостями. Так, по міцності низькоосновні гідросилікати кальцію значно перевершують високоосновні, а за морозостійкістю істотно їм поступаються. Тому для отримання вапняно-піщаних виробів із заданими властивостями склад сировинних сумішей і режим автоклавного твердіння повинні максимально відповідати отриманню бажаного фазового складу гідратної новоутворень.