Щелочная среда как основное условие гидратации вяжущих веществ

Щелочная среда, создаваемая соединениями щелочных и щелочноземельных металлов, является определяющим условием процессов синтеза минеральных веществ щелочного и щелочно-щелочноземельного алюмосиликатного состава, которые играют роль структурообразующих элементов при формировании камневидных горных пород.

Щелочная среда также необходима для протекания процессов гидратации в традиционных кальциевых вяжущих, продукты которых связывают дисперсии бетонных смесей в искусственные конгломераты типа бетонов. В последнем случае ее возникновение обусловлено присутствием в системе кальция, гидроокиси, силикаты и алюминаты которого дают щелочную реакцию.

Особенностью шлакощелочных материалов является наличие в них более активных, по сравнению с кальцием, щелочных элементов первой группы периодической системы Д. И. Менделеева, гидроокиси, силикаты и алюминаты которых дают более сильную щелочную реакцию.

Основным условием протекания химических процессов во всех перечисленных случаях является наличие щелочной среды, что свидетельствует об определенном сходстве процессов окаменения рассматриваемых силикатных систем и позволяет использовать известные данные о процессах гидратации и твердения вяжущих веществ на основе кальция для установления теоретических предпосылок получения шлакощелочных материалов.

Фактический материал по этому вопросу весьма обширен, поэтому абстрагируясь от второстепенных (с точки зрения автора) фактов, следует осветить только определяющие положения этих процессов.

С этих позиций рассматриваются известные строительные вяжущие вещества на основе кальция: простейшее химически активное вяжущее вещество — известь — растворимое основание, которое при за-творении водой дает щелочную реакцию; известко-во-пуццолановый цемент — механическая смесь активных алюмосиликатов аморфной структуры с известью, в котором вяжущие свойства системы определяет наличие щелочи; гидравлическая известь — продукт обжига мергелистых известняков, минералогический состав которого представлен β—C₂S, СА, C₂F и СаО, при растворении в воде обеспечивающая возникновение щелочной реакции; романцемент — продукт обжига мергелей, по минералогическому составу отличающийся от гидравлической извести отсутствием свободной извести и наличием высокоосновных алюминатов, при затво-рении водой отщепляющих известь и обусловливающих создание щелочной среды; портландцемент — продукт спекания мергелей, содержащий высокоосновные силикаты и алюминаты кальция, подвергающиеся гидролизу и отщепляющие известь, обеспечивающую щелочность среды; известковошлаковый цемент — смесь извести с доменным гранулированным шлаком и шлакопортландцемент — смесь цементного клинкера с этим шлаком, при твердении которых щелочная среда возникает аналогично тому, как она образуется соответственно в известково-пуццолановом цементе и портландцементе.


Таким образом, очевидным признаком, объединяющим все перечисленные вяжущие, является наличие щелочной среды, а признаком, дифференцирующим их по активности, служит основность слагающих эти системы минералов.

Изложенное дает основание утверждать, что история развития вяжущих веществ — это история совершенствования методов использования щелочи — гидроокиси кальция. Сначала ее использовали в чистом виде, затем в сочетании с активными силикатными веществами и, наконец, в виде суммы искусственных минералов, при затворении водой дающих щелочную реакцию и отщепляющих гидроокись кальция, которая затем частично входит в состав новообразований и частично остается в свободном состоянии. При этом по мере повышения основности этих минералов повышалась активность вяжущих.

В. Д. Журавлев [51] установил, что вяжущие свойства проявляют также соединения стронция и бария, а О. П. Мчедлов-Петросян — соединения магния, т. е. элементы основной подгруппы второй группы периодической системы Д. И. Менделеева. Эти соединения в водных растворах также дают щелочную реакцию. Все это позволяет считать, что основным признаком наличия гидравлических вяжущих свойств у минеральных веществ является их способность при контакте с водой создавать щелочную среду с достаточно высоким pH, обеспечивающим гидратацию вещества вяжущего.

По щелочной активности окисей и гидроокисей щелочные и щелочноземельные металлы можно расположить в ряд «основности»: Cs, Rb, К, Na, Li, Ва, Sr, Ca, Mg [13, 15] в порядке (слева направо) уменьшения pH среды и растворимости гидроокисей.

Из ряда основности следует, что едкие щелочи являются сильными основаниями и что на их основе, как и на основе гидроокисей щелочноземельных металлов, можно получить гидравлические вяжущие вещества [6, 13, 15].