Искусственно полученный ангидрит можно заменить природным ангидритом — в естественном его состоянии или после предварительной просушки. Катализаторы вводят и после помола ангидрита, т. е. при затворении цемента.
Процесс твердения ангидритового цемента заключается в гидратации нерастворимого ангидрита с последующей его перекристаллизацией. В присутствии воды и катализатора на поверхности частиц ангидрита образуются неустойчивые сложные гидраты:
Первичный неустойчивый гидрат типа (соль) mCaSO4·nН2О распадается затем по реакции:
Образовавшийся в результате гидратации ангидрита двугидрат кристаллизуется, в ходе чего происходит процесс схватывания и твердения цемента.
Теория твердения ангидритового цемента различает в этом процессе три основных периода:
- 1) образование на поверхности частиц ангидрита комплексной соли, ее распад, растворение ангидрита и его гидратация, причем ее положительный тепловой эффект в значительной степени компенсируется отрицательным тепловым эффектом растворения;
- 2) коллоидообразование (образование геля двуводного гипса) и выделение центров кристаллизации, ускоряющих кристаллизацию гидратированного ангидрита. В этот период, сопровождающийся быстрым выделением тепла, происходит схватывание ангидритового цемента;
- 3) постепенная кристаллизация двуводного гипса (скорость кристаллизации зависит от природы катализатора), в ходе которой тепло выделяется в незначительном количестве. В этот период ангидритовый цемент твердеет.
Практически эти три периода не протекают в определенной последовательности, а переплетаются один с другим; еще не успевают закончиться процессы образования насыщенного раствора двугидрата и гидратации ангидрита, как на поверхности зерен ангидрита начинается коллоидообразование; кристаллы гипса также могут образоваться раньше, чем закончится коллоидообразование.
Ход твердения цемента может изменяться в зависимости от различных факторов, например: от химического состава ангидрита, степени его измельчения и гранулометрического состава порошка, формы поверхности и пористости частиц ангидрита, однородности зерен, природы катализатора. Влиянием этих факторов и можно в значительной степени объяснить наблюдаемые иногда колебания в количестве выделяющегося тепла (при гидратации, схватывании и твердении) и в конечной прочности ангидритового цемента. Прочность его в большой мере обусловлена формой и размерами кристаллов гипса (иглообразных, в виде параллелограмма, призматической формы и т. д.; рис. 1—7)2, которые образуются при гидратации ангидрита под действием добавленного катализатора.
Показатели преломления, определенные по иммерсионному методу, показали во всех препаратах наличие кристаллов гипса: α = 1,521, γ = 1,530; углы погасания колебались в пределах от 22 до 35°.
Испытание прочности ангидритового цемента в различные периоды твердения при катализаторах NaHSO4 (0,6%) и CuSO4 (0,8%) дало результаты, приведенные в табл. 1.
Повышение прочности ангидритового цемента в первые часы твердения можно объяснить действием образующегося на поверхности зерен ангидрита неустойчивого сложного гидрата. С течением времени этот гидрат распадается; при этом в период его распада прочность цементного камня понижается. Возрастает же она по мере гидратации ангидрита и перекристаллизации образовавшегося двугидрата.
Затвердевший ангидритовый цемент, будучи высушен и измельчен, а затем затворен водой уже без добавки катализатора, снова схватывался и твердел, но прочность его при этом получалась более низкой. Цемент, имевший в возрасте 28 суток предел прочности при растяжении 40,2 кг/см2, после первой регенерации через тот же промежуток времени приобрел прочность при сжатии 32,3 кг/см2, после третьей — 28 кг/см2, при этом затвердевшие цементные образцы дали усадку.
Когда их выдерживали в течение 3 суток во влажной среде, они присоединяли от 2 до 6% гидратной воды, в течение 3 недель — от 3,5 до 8,5%. ее и через 3 месяца — от 8 до 14%. Таким образом, гидратация частиц ангидрита протекает неполностью.
В этой связи следует отметить, что изделия из затвердевшего ангидритового цемента для повышения их прочности целесообразно выдерживать некоторое время во влажной атмосфере.
Примечания
1. Из гипса, содержащего примесь доломита (например, Ергачского месторождения), после обжига при 800° можно получать ангидритовый цемент без добавки катализатора.
2. И. Я. Голосовкер. Микроструктура ангидритового цемента. Журнал прикладной химии, 24, №1, 1951.