ТВЕРДНЕННЯ ПОВІТРЯНОГО ВАПНА

В залежності від фізико-хемічних процесів, що призводять до утворення затверділої маси розрізняють наступні типи тверднення:

- карбонатне;

- гідратне;

- гідросилікатне.

Карбонатне тверднення відбувається при звичайних температурах для виробів на основі гашеного вапна після часткової втрати води. Воно складається з двох фізико-хемічних процесів: 1) випаровування механічної води і кристалізації Са(ОН)₂ з насиченого водяного розчину; 2) карбонізації поверхневих шарів з утворенням СаСО₃.

На першому етапі відбувається перекристалізація дрібних частинок гідрооксиду кальцію в присутності води в частинки більшого розміру. При цьому кристали Са(ОН)₂ зростаючись один з одним, утворюють кристалічний каркас, який цементує в єдиний каменеподібний конгломерат частинки зв’язного і наповнювачів. Процес кристалізації гідрооксиду кальцію відбувається повільно, що обумовлює невелику міцність вапняних зв’язних у перші місяці тверднення. Стіни, покладені на вапняному розчині, довший час залишаються сирими, так як продовжується повільне виділення вологи.

На другому етапі значний вклад в тверднення вапняних зв’язних вносить процес карбонізації гідрооксиду кальцію вуглекислим газом повітря, який відбувається з помітною швидкістю тільки в присутності вологи. Цей процес описується рівнянням:

Ca(OH)₂ + CO₂ + nH₂O = CaCO₃ + (n+1)H₂O.

При цьому вивільняється 84 кДж/кг СаО тепла. В подальшому, утворена на поверхні плівка з вуглекислого кальцію перешкоджає проникненню вуглекислого газу повітря у внутрішні шари, гальмуючи процес карбонізації.

Процес карбонізації відбувається тільки на повітрі. Швидкість тверднення залежить від можливості доступу повітря до окремих частинок вапна. Карбонізація вапняного розчину при його вологості від 0,3 до 4 % в перші 4-6 тижнів відбувається дуже швидко, а потім сповільнюється. Після 6 тижнів більша частина гідрооксиду кальцію перетворюється в карбонат, а через рік кристалічний гідрооксид кальцію у поверхневих шарах більше не фіксується. Є випадки, коли сухий чи навіть пластичний гідрооксид кальцію зберігався в стінах споруд, зведених десятки чи навіть сотні років тому.

Хемічна взаємодія вапна з кварцовим піском чи з породами, що містять активний SiO₂ при звичайних температурних умовах тверднення відбувається надзвичайно повільно і практичного значення для наростання міцності немає.

Пористість при карбонізації змінюється незначно.

Гідратне тверднення відбувається при замішуванні водою меленого негашеного вапна. Його суть полягає в гідратації СаО в умовах, які забезпечують утворення міцного і щільного конгломерату, що складається переважно з Ca(OH)₂ в гелеподібному та кристалічному стані. Після замішування з водою з пересиченого йонами Са²⁺ розчину спочатку утворюється значна кількість колоїдного гідрооксиду кальцію. Цей гідрат швидко коагулює в гель, що склеює зерна зв’язного і наповнювачів в єдиний каменеподібний конгломерат. Поступове відсмоктування води внутрішніми шарами зерен вапна, а також її випаровування призводить до ущільнення і зміцнення гелеподібного гідрооксиду кальцію. Подальша кристалізація гідрооксиду кальцію сприяє збільшенню міцності. Також підвищує міцність затверділого каменю і карбонізація Ca(OH)₂.

Сильне тепловиділення і як наслідок інтенсивне паровиділення під час гідратаційного тверднення призводить до послаблення і руйнування структури. Розпушенню структури також сприяє збільшення об’єму твердої фази при переході СаО в гідрооксид. У зв’язку з цим при гідратаційному твердненні необхідно забезпечити низку умов:

1) рівномірного відведення теплоти гідратації;

2) використання жорстких форм, які не допускають збільшення об’єму маси, що твердне;

3) введення додатків (гіпс, СДБ та інші), які сповільнюють процес гідратації вапна.

Рівномірний випал і тонке подрібнення вапна покращують умови його гідратного тверднення.

Гідросилікатне тверднення відбувається у спеціальних апаратах – автоклавах в присутності водяних парів при підвищеній температурі (175-200 ^оС) і тиску (0,9-1,6 МПа). При цьому відбувається хемічна взаємодія між вапном і SiO₂ наповнювачів з утворенням гідросилікатів кальцію, які цементують вапняно-піщану суміш в міцний каменеподібний матеріал. На даний час ідентифіковано понад 20 гідросилікатів кальцію. В загальному процес гідросилікатного тверднення описується рівнянням:

mCa(OH)₂ + nSiO₂ + kН₂О ® mCaO*nSiO₂*(k+m)Н₂О

В даний час переважає думка, що при автоклавній обробці вапно та оксид силіцію розчиняються в рідкій фазі і взаємодіють в розчині, з якого викристалізовуються гідросилікати кальцію. В залежності від складу сировинної суміші та умов автоклавної обробки утворюється переважно той чи інший гідросилікат кальцію. Процес гідросилікатного тверднення лежить в основі одержання силікатної цегли і силікатних бетонів.