3.5. Свойства строительной извести и ее применение

Кристаллы чистого оксида кальция относятся к кубической сингонии. Их плотность составляет 3340 кг/м³, показатель светопреломления 1,836, твердость 3—4, температура плавления 2570 °С, кипения 2850 °С.

При обжиге извести гексагональная решетка СаСО₃переходит в кубическую СаО с уменьшением объема кристаллической решетки почти 2,25 раза. Фактически объем кусков обожженной извести лишь немногим меньше объема кусков исходного известняка. Поэтому негашеная известь имеет повышенную пористость, составляющую в зависимости от структуры известняка, температуры и режима обжига 18—48 % общего объема ее кусков. Объем и распределение пор по размерам оказывают большое влияние на активность негашеной извести, а также на дисперсность частиц и удельную поверхность гидратной извести. С повышением температуры и увеличением длительности обжига объем пор в кусках негашеной извести снижается, а их размеры (в результате собирательной рекристаллизации) и кажущаяся плотность материала увеличиваются. В извести, обожженной при 900 °С, кристаллы оксида кальция имели размеры порядка.1 мкм, при 1000°С —до 10 мкм, а в намертво обожженной извести (при 1650 °С и выше)—до 100 мкм. Рядовая известь, обожженная в заводских условиях, состоит в основном из кристаллов размером 5—12 мкм. Наличие в извести кристаллов размерами 50—100 мкм говорит о ее пережоге.

Время, необходимое для гашения (гидратации) извести при размерах кристаллов СаО до 5 мкм, составляет 2—3 мин, а при величине 40—50 мкм — 23—30 мин.

Гидратация оксида кальция — обратимая реакция, направление которой зависит от температуры и давления водяных паров в окружающей среде. Упругость пара при диссоциации Са(ОН)₂на СаО и Н₂О достигает атмосферного давления (0,1 МПа) при 547 °С, однако и при более низкой температуре гидрат оксида кальция может частично разлагаться. Чтобы процесс гашения извести шел в нужном направлении, необходимо стремиться к повышению упругости водяных паров над Са(ОН)₂и не допускать слишком высокой температуры. Вместе с тем следует избегать и переохлаждения гасящейся извести, которое сильно замедляет гашение. Выделяющаяся при гашении теплота вызывает интенсивное парообразование, причем образующийся пар разрыхляет известь и превращает ее в тонкий порошок — пушонку. Более половины ее зерен имеет размер, не превышающий 0,01 мм. Парообразование защищает материал от чрезмерного повышения температуры.

Объем пушонки в 2—3 раза превышает объем исходной негашеной извести, что вызывает уменьшение плотности и увеличение объема пустот (пор) между отдельными зернами образующегося материала по сравнению с объемом пор в исходном материале. Молярный объем при гашении извести несколько уменьшается, что видно из следующего расчета: молярный объем СаО при плотности 3,2 составляет 56:3,2=17,5 (56 —молекулярная масса СаО); молярный объем воды 18, а суммарный объем исходных веществ 35,5; молярный объем Са(ОН)₂при плотности 2,2 составляет (56+18) : 2,2 = 33,6. Следовательно, при гидратации извести происходит контракция (химическая усадка), а увеличение внешнего объема связано с увеличением объема пустот в пушонке.

Кристаллы гидроксида кальция гексагонально-ромбической сингонии имеют форму гексагональных пластин или призм. Плотность монокристаллов гидроксида кальция 2230 кг/м³, твердость 2,25. Плотность аморфного гидроксида кальция 2080 кг/м³. Масса 1 м³рыхло насыпанной извести-пушонки составляет 400—450 кг, а в уплотненном состоянии — 500—700 кг. Около 3/4 объема сухой извести-пушонки занимают пустоты. Масса 1 м³известкового теста составляет 1300—1400 кг. Из 1 м³негашеной извести получают 1,5—2,4 м³известкового теста, которое обычно содержит около 50 % воды.

Пластичность известкового теста зависит от размера частиц Са(ОН)₂, количества воды и наличия в ней растворенных веществ. Диффузные оболочки из молекул воды вокруг частиц Са(ОН)₂, уменьшая внутреннее трение в системе и увеличивая подвижность зерен, придают известковому тесту пластичность. Чем крупнее в нем частицы извести, тем меньше водопотребность, тем тоньше диффузные гидратные слои на частицах и, следовательно, менее пластичным является тесто. Гидроксид кальция сравнительно мало растворим в воде, тем не менее его растворимость примерно в 100 раз выше растворимости углекислого кальция. С повышением температуры растворимость Са(ОН)₂падает:

Добавки (СаС1₂, NaCl, NaOH и др.), образующие с Са(ОН)₂более растворимые соединения кальция, ускоряют гидратацию оксида кальция, а следовательно, и гашение извести. Добавки, дающие менее растворимые соединения (некоторые соли серной, фосфорной, щавелевой и угольной кислот), замедляют гидратацию оксида кальция. Замедляют взаимодействие СаО с водой и добавки ПАВ, адсорбирующиеся на поверхности твердых частиц.

Большое влияние на процесс гашения извести оказывают содержащиеся в ней примеси, приводящие к образованию силикатов и алюминатов кальция. В тощих разновидностях извести эти соединения содержатся в значительных количествах и существенно изменяют их свойства. При гашении извести в пушонку зерна силикатов и алюминатов кальция не рассыпаются в порошок, поэтому их необходимо отделять и измельчать механическим путем. При гашении извести в тесто медленно гидратирующиеся силикаты и алюминаты кальция образуют гелеобразные продукты (гидросиликаты и гидроалюминаты кальция). Поскольку это происходит до применения извести, эти соединения отчасти играют роль балласта. Частицы пережога, а также остеклованные образования, получающиеся при обжиге извести в пересыпных шахтных печах, в пушонке и в тесте остаются балластом. Они способны гидратироваться только в условиях автоклавной обработки или при очень длительном контакте с влагой в нормальных температурных условиях.

На скорость гашения извести большое влияние оказывают структура и размер кусков негашеной извести. Чем меньше куски извести и чем менее плотная их структура, тем быстрее и эффективнее протекает процесс гашения. Поэтому молотая негашеная известь гасится значительно быстрее и равномернее, чем комовая. К тому же тонкоизмельченные зерна пережога при запоздалом гашении вызывают меньшие напряжения и деструктивные явления в затвердевших изделиях на основе извести

При высыхании известковое тесто из-за сильной усадки растрескивается, поэтому чаще всего его применяют в виде известково-песчаного раствора, добавляя 2—4 объемные части песка. При этом получается пластичный и удобообрабатываемый строительный раствор. Песок в таком растворе служит скелетом, перераспределяющим при высыхании раствора объемные изменения известкового теста, обволакивающего зерна песка, а следовательно, препятствующим его растрескиванию. Песок также удешевляет раствор и облегчает удаление из него испаряющейся воды и доступ внутрь углекислоты воздуха. Адгезия (сцепление) между частицами песка и извести достигает значительной величины.

В известковом растворе имеет значение зерновой состав песка, обусловливающий плотность упаковки песчинок и пористость раствора. Желательно, чтобы промежутки между крупными песчинками заполнялись мелкими зернами песка. Важна также форма зерен песка и его чистота. Предпочтительнее применять горный песок, состоящий из угловатых зерен, чем речной, имеющий окатанную форму зерен, а следовательно, меньшую поверхность и меньшую прочность сцепления с известью. Извести в растворе должно быть достаточно для обволакивания каждой песчинки и заполнения всех пустот между ними. Избыток извести, а также неравномерное ее распределение в растворе при затвердевании может явиться причиной появления трещин.

Известковые растворы в основном применяют для каменной кладки. Для этой же цели широко используют и смешанные растворы, состоящие из извести, портландцемента и песка. Такие растворы прочнее известковых и пластичнее цементных. Известковые растворы находят также применение для штукатурных работ как в смеси со строительным гипсом, так и без него. Известково-гипсовые растворы схватываются медленнее гипсовых, а твердеют быстрее известковых. Для штукатурных работ используют также известково-цементные растворы. В качестве компонента вяжущего известь широко применяют при производстве известково-песчаных изделий и других бесцементных строительных деталей автоклавного твердения.

В смеси с активными минеральными добавками воздушную известь используют для приготовления известково-пуццолановых, известково-шлаковых и других видов смешанных вяжущих. В смеси с мелом, красителями, а также в чистом виде воздушную известь применяют для побелки, окраски стен и потолков, а также для других декоративных целей.

Таким образом, строительную воздушную известь применяют для получения: а) штукатурных и кладочных растворов (гашеная известь); б) местных известковых вяжущих веществ и низкомарочных бетонов и изделий из них, эксплуатируемых в воздушно-сухих условиях (на основе негашеной молотой извести); в) известково-песчаных (силикатных) изделий автоклавного твердения –силикатного кирпича, ячеистых силикатных бетонов (на основе гашеной и негашеной молотой извести). В последнем случае получают достаточно водостойкие материалы.

В настоящее время в строительстве используют примерно половину всей выпускаемой извести. Остальная часть идет на удовлетворение нужд химической, металлургической, сахарной, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, а также сельского хозяйства.