Минеральные воздушные вяжущие вещества

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Н. Н. Башкатов

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ
ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
08.03.01 «Строительство» 

Екатеринбург
Уральский федеральный университет
2018

УДК 691.5(075.8)
ББК 38.32я73
          Б33
Рецензенты:
кафедра «Строительные материалы» ЮУрГУ (завкафедрой д‑р техн. наук, 
проф. Б. Я. Трофимов);
зам. гл. инженера, проф., д‑р техн. наук М. С. Гаркави (ЗАО «Урал‑Омега»)

Научный редактор проф., д‑р техн. наук Ф. Л. Капустин

 
Башкатов, Н. Н.
Б33    Минеральные воздушные вяжущие вещества : учеб. пособие / Н. Н. Башкатов. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2018. — 148 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2271‑8

В пособии рассмотрены способы получения основных воздушных вяжущих 
веществ, их свойства и основные закономерности, проявляющиеся в технологии. 
Приведены характеристики природного и техногенного сырья для производства 
вяжущих, дано основное оборудование. Предназначено для изучения курса «Вяжущие вещества».
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавров 08.03.01 «Строительство».

Библиогр.: 18 назв. Табл. 20. Рис. 41.

УДК 691.5(075.8)
ББК 38.32я73

ISBN 978‑5‑7996‑2271‑8 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2018

Посвящается
светлой памяти профессора, 
доктора технических наук 
Семерикова Ивана Савельевича

ВВЕДЕНИЕ

В

оздушными вяжущими материалами называются вещества, 
способные, после затворения водой, твердеть и набирать 
прочность только в воздушно‑сухих условиях. При систематическом увлажнении изделия из таких материалов быстро теряют прочность и разрушаются. К этим веществам относятся гипсовые 
и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и растворимое стекло. 
Последнее можно отнести к полимеризационным вяжущим, поэтому 
в данном пособии оно не рассматривается.
Гипс и известь относятся к первым обжиговым вяжущим, которые 
человечество научилось применять в строительстве. Наблюдая за изменениями, происходящими в естественных материалах, на которых сооружались очаги, люди пришли к первым выводам о процессах, происходящих в глине, песке, известняке или природном гипсовом камне 
при их термической обработке, а при воздействии на обожженные и измельченные гипсовые и известняковые камни водой была обнаружена 
способность этих материалов загустевать и затвердевать, впоследствии 
образуя более прочный, нежели из засохшей глины, камень. Несомненно, первыми были гипсовые вяжущие, которые образуются при нагревании природного гипсового камня всего до температуры 150–200 °C, 
тогда как известь получают при обжиге природных карбонатов кальция 
до температуры более 900 °C, хотя и такие температуры вполне достижимы даже в примитивных очагах, отапливаемых дровами. С применением этих вяжущих построены такие сооружения древнейших цивилизаций, как египетские пирамиды, Великая Китайская стена и др.
Столь раннее появление гипсовых и известковых вяжущих объясняется довольно широким распространением гипсового камня и карбонатов кальция в природе, а также их легкой разработкой: гипс, мел, 
известняк, ракушечник — очень мягкие материалы, а плотные известняки часто залегают в виде легко разделяемых плит. При этом во многих случаях залежи выходят на поверхность, а комовая известь при 
гашении водой переходит в тонкодисперсное состояние, не требуя механического измельчения.
Первые гидравлические вяжущие появились так же благодаря извести в Индии около 2,5 тыс. лет назад. При использовании в качестве 

Введение

песка в известковых растворах золы от сжигания топлива и слабообожженных керамических остатков было замечено увеличение водостойкости и прочности растворов. Впоследствии к извести стали добавлять 
искусственную добавку — «сурки», представляющую собой толченые 
гончарные остатки, а также слабообожженный кирпич.
Расцвет городов в Римской империи потребовал более прочных 
и водостойких сооружений — дорог, портов, каналов, высоких зданий большого объема и т. п. Для повышения водостойкости и прочности известковых растворов римляне вначале также применяли добавку толченого кирпича, а с I–II веков до н. э. широкое применение 
получила природная порошкообразная порода — вулканический пепел, что способствовало получению более прочных и водостойких вяжущих [1–3]. На основе известково‑пуццолановых цементов построили все значительные сооружения в Индии, Риме, Китае в I веке нашей 
эры, такие как Колизей, форум и термы Траяна, Триумфальная арка 
Тита, Базилика Максенция.
В нашей стране при возведении городов, в основном церквей, применялась известь со специальной добавкой — «цемянкой» в виде толченого кирпича. Это повышало прочность и водостойкость строительных растворов. Подобное вяжущее широко применялось как при 
строительстве Софийского собора в Киеве в ХI веке, так и Петербурга во времена Петра I.
Сегодня воздушные вяжущие широко используются во внутренней 
отделке помещений, в производстве сухих строительных смесей и смешанных гидравлических вяжущих, а также изделий на их основе. Так, 
например, изделия на основе гипса не токсичны, легкие, архитектурно 
выразительные, декоративные, обладают малой теплои звукоизоляцией, имеют высокие показатели по био‑, огнеи пожаростойкости. 
Они способны создавать благоприятный микроклимат в помещениях, так как могут поглощать и отдавать избыточную влагу в помещении при перемене влажности.
Пособие предназначено для студентов, изучающих курс «Вяжущие 
вещества». Понимание данной дисциплины основано на тех знаниях, которые студенты приобретают в результате освоения таких дисциплин, как «Неорганическая химия», «Физическая химия строительных материалов», «Кристаллография и минералогия» и «Строительные 
материалы. Материаловедение».

1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Г

ипсовыми вяжущими называют материалы, состоящие из двуводного, полуводного или безводного сульфата кальция. Последние две формы гипса получают обычно тепловой обработкой исходного сырья и его помолом. Существует несколько видов 
классификации этих веществ, наиболее полной является разделение 
в зависимости от способа производства и особенностей твердения. Согласно ей вяжущие делят на три группы:
· обжиговые (I группа) — получаемые в результате термической обработки двуводного сульфата кальция. Они подразделяется на две 
подгруппы:
— низкообжиговые — строительный, формовочный, медицинский 
и высокопрочный гипс, а также гипсовые вяжущие из гипсосодержащих материалов. Они образуются в результате обжига при 
температурах порядка 110–180 °C. Состоят из полуводного гипса CaSO4 · 0,5H2O, характеризуются быстрым твердением;
— высокообжиговые — ангидритовый цемент (ангидритовое вяжущее), ангидритовый отделочный цемент, высокообжиговый 
гипс (эстрих‑гипс). Их получают путем обжига при температурах 600–1000 °C. Они медленно схватываются и твердеют, 
состоят из ангидрита CaSO4 и активатора твердения;
· безобжиговые (II группа), получаемые без термической обработки исходного сырья. Это материалы на основе природного гипса CaSO4 · 2H2O или природного ангидрита CaSO4, для активации 
которых к ним добавляются на стадии помола специальные добавки — активизаторы. В группу входят ангидритовый и гипсовый цементы;
· смешанные (III группа), получаемые смешиванием обжиговых 
гипсовых вяжущих с различными компонентами природного или 
искусственного происхождения: известью, портландцементом 

1.1. Сырье для производства вяжущих

или его разновидностями, активными минеральными либо химическими добавками. К ним относят гипсоцементно‑пуццолановые (ГЦПВ), гипсоцементно‑шлакопуццолановые, композиционные гипсовые вяжущие (КГВ), композиционные ангидритовые 
вяжущие, гипсоизвестковошлаковые (ГИШВ), гипсоизвестковые и гипсошлаковые вяжущие.
При этом вяжущие I и II группы являются воздушными, а III — гидравлическими, за исключением двух последних веществ.

1.1. Сырье для производства вяжущих

Основным источником сырья являются природные месторождения 
гипса, ангидрита и гипсосодержащих пород. Перспективными для получения вяжущих считаются отходы химических производств: фосфогипс, фторогипс, борогипс, титаногипс.

1.1.1. Природные материалы

Природный гипс — минерал состава CaSO4 · 2H2O, в химическом отношении является сернокислым кальцием, связанным с двумя молекулами воды, поэтому его часто называют двуводным гипсом или 
двугидратом. Слагает горную осадочную породу, того же названия, образующуюся при отмирании озерных и соленосных морских бассейнов 
или изолированных морских лагун, насыщенных сульфатами [1–5]. 
При испарении и ограниченном притоке пресной воды из раствора 
первым начинает выкристаллизовываться сернокислый кальций, имеющий меньшую растворимость в сравнении с хлоридами натрия, калия, магния и их сульфатами. Природный гипс может появиться в результате реакции сернокислых вод с известняком:

 
СаСО3 + Н2SO4 + Н2 О = CaSO4 · 2H2O + СО2 
(1)

Источником серной кислоты в данном случае будет колчедан и пирит, залегающие совместно с известняком.

1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Химический состав чистого гипса, 
мас. %: 32,6 СаО; 46,5 SO3; 20,9 Н2 О. Кроме кристаллизационной, он имеет еще 
и гигроскопическую влагу, находящуюся как на поверхности камня, так и в его 
порах. Ее количество может варьироваться от нескольких долей до 10–15 %. 
Кристаллизуется в моноклинной сингонии. Кристаллы могут быть пластинчатые, столбчатые, игольчатые и волокнистые. Они обладают весьма совершенной 
спайностью по плоскостям симметрии, 
по другим направлениям менее совершенны. Кристаллическая решетка имеет слоистое строение и характеризуется 
строго закономерным расположением 
атомов. Две анионные группы SO4
2– связаны с ионами кальция Са 2+ [1–5]. Они 
образуют двойные слои, между которыми располагаются молекулы воды. Ионы 
кальция окружены шестью ионами кислорода группы SO4
2– и двумя молекулами Н2 О. Каждая молекула последней связывает ион кальция с одним 
ионом кислорода того же двойного слоя и с одним ионом О 2– соседнего (рис. 1).
Чистый гипс должен быть бесцветным и прозрачным, но наличие 
примесей может придавать ему серую, желтую, розовую, бурую или 
черную окраску. Представляет собой мягкий вязкий минерал, твердость по шкале Мооса 1,5–2,0, плотность чистого гипса 2320, гипсового камня в пределах 2200–2400 кг/м 3. Растворяется в соляной 
кислоте. При 18 °C его растворимость в воде 2,0 г/л, с повышением 
температуры до 40 °C она увеличивается до 2,1 и в дальнейшем снижается до 1,7 г/л.
В зависимости от структуры различают следующие виды гипса:
· зернистый плотный гипс с сахаровидным изломом, называемый 
алебастром;
· пластинчатый гипс, залегающий в виде плоских прозрачных кристаллов, называемый гипсовым шпатом;

Рис. 1. Кристаллическая 
структура гипса: 

1 — S 6+; 2 — О 2–; 3 — Са 2+;  
4 — Н2 О (рисунок из монографии: 
Гипс в малоэтажном строительстве 
/ А. В. Ферронская [и др.] — М. : 
Изд‑во АСВ, 2008)

1.1. Сырье для производства вяжущих

· тонковолокнистый гипс с шелковистым блеском, сложенный 
из правильно расположенных нитевидных кристаллов — селенит (рис. 2).

а                                                б                                                в

г                                                 д                                                е

Рис. 2. Виды природного гипса и ангидрита: 

а — кристалл; б — селенит; в — гипсовый шпат; г — алебастр; д — строение: 1 — S 6+; 2 — О 2‑; 
3 — Са 2+; е — внешний вид (рисунки а и б с сайта http://mineralog.livejournal.com/24744.html; 
в и г — с http://rus‑list.ru/3772‑gips‑opisanie‑kamnya‑i‑ego‑svojstva/; д — из монографии: Гипс 
в малоэтажном строительстве / А. В. Ферронская [и др.]. — М. : Изд‑во АСВ, 2008; е — с сайта http://pro‑kamni.ru/angidrit)

Ангидрит — безводный сульфат кальция CaSO4. Химический состав чистого материала, мас. %: 41,2 СаО; 58,8 SO3. Кристаллизуется 
в ромбической сингонии. Мелкие кристаллы имеют толстотаблитчатую, призматическую или кубическую форму. Совершенная спайность по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Встречается в виде землистых либо волокнистых агрегатов (рис. 2, д, е). Цвет 
белый, сероватый, темно‑серый, редко голубой или розоватый. Ангидрит имеет стеклянный блеск и неровный излом. Способен растворяться в серной кислоте и частично в соляной. В воде растворяется слабо, но во влажных условиях способен поглощать ее, переходя в гипс. 
Плотность 2890 кг/м 3, твердость по шкале Мооса 3,0–3,5.

1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Гипсосодержащие породы — смесь мельчайших кристаллов двуводного гипса с глинистопесчаным и карбонатным материалом. Они имеют разные названия: глиногипс, гипс землистый, гажа, ганч, арзик. 
По своей структуре — тонкодисперсная механическая смесь либо рыхлое, слабосцементированное образование серого, желтоватого или бурого цветов. Основные три компонента породы: глина, гипс и карбонаты — находятся в различных сочетаниях друг с другом, и содержание 
каждого может варьироваться в широких пределах.
Формы залегания пород разнообразны и носят характер пластов, 
прожилков, линз, гнезд и отдельных вкраплений. Мощность залежей колеблется в пределах от 0,2 до 8 м. Подстилающими породами 
чаще всего являются глины и суглинок, реже — известняки. Кровлю 
составляют слои почвы и суглинки, толщина вскрыши редко превышает метр. Значительную роль в генезисе этих пород играют процессы выветривания и разрушения горных пород, а также миграция продуктов разрушения и вторичное их отложение в низинах и котлованах 
земного рельефа [5].
Отличительной особенностью гипсосодержащих пород являтся их 
высокая дисперсность. Свыше 80 % материала — частицы размером 
от 0,01 до 0,001 мм. Истинная плотность около 2000 кг/м 3, твердость 
по шкале Мооса менее 1. Кристаллическая структура моноклинная, 
гексагональная и ромбическая. Химический состав разнообразен даже 
в пределах одного залегания.

1.1.2. Месторождения гипсового сырья

Гипс принадлежит к числу наиболее ранних геологических осадков, 
наряду с ангидритом, и располагается в нижних горизонтах залежей. 
Все его месторождения относятся к трем типам: осадочные, остаточные и метасоматические. Осадочные месторождения по условиям их 
образования делятся на сингенетические (породы и включенный в них 
гипс образовались одновременно) и эпигенетические (результат процесса гидратации ангидрита под действием подземных вод). В первых 
месторождениях залежи гипса принимают форму линз. Такие пласты 
имеют мощность до 20 м и более. В месторождениях второго типа — 
пласты, осложненные внутренней тектоникой, складчатостью, раздувами и пережимами. Месторождения гипса в России почти всегда