1бСТР Лекция 7

1.

Лекция по теме
«Силикаты и
минеральные
вяжущие вещества»
Новоселова Елена Викторовна

2.

Учебные вопросы:
Природные силикаты
Процессы твердения
минеральных вяжущих веществ
3. Характеристика отдельных
минеральных вяжущих веществ
1.
2.

3.

Литература:
1. Коровин, Н.В. Общая химия / Н.В.
Коровин. − М.: Академия, 2013. – Гл. 12.
2. Химия: поверхностные явления,
коллоидные системы, минеральные
вяжущие вещества: учебное пособие /
В.В. Грушина и др.; МАДИ. – М.: МАДИ,
2017. – гл. 3.1 – 3.4 (№ 331, маркер
17Е436)

4.

1. Природные силикаты
Земная кора на 97% состоит из соединений
кремния - важнейшие из них
кремнезём (SiO2) и
силикатные минералы
(полевые шпаты, слюды, каолин и др.).
Главной природной кристаллической формой
кремнезёма является минерал кварц.
Кварц входит в состав горных пород
(гранитов, гнейсов, пегматитов и др.).
Наиболее чистой природной разновидностью
кварца является горный хрусталь.

5.

6.

Кремнезём и его производные представляют
собой неорганический полимер, построенный
из тетраэдров (SiO4-4)n. Анионы SiO4-4 могут
соединяться в сложные системы (группы и
кольца из 3, 4, 6 тетраэдров):

7.

8.

Важнейшие природные соединения - соли
монокремниевых и поликремниевых кислот – силикаты.
Монокремниевые кислоты:
H2SiO3 или H2O·SiO2 – метакремниевая кислота;
H4SiO4 или 2H2O·SiO2 – ортокремниевая кислота;
H2Si2O5 или H2O·2SiO2 – диметакремниевая кислота.
Эти кислоты конденсируются в полимерные формы,
не растворимые в воде :

9.

Дальнейшая поликонденсация приводит к
образованию различных поликремниевых кислот
состава:
xSiO2·yH2O (где x, y > 1).
Они легко образуют коллоидные системы – золи.
Строение мицеллы золя кремниевой кислоты:
{[SiO2·mH2O]n · xHSiO3- · (x-y)H+}-y · yH+
При коагуляции таких золей образуются гели
переменного состава SiO2·xH2O, содержащие до
330 моль H2O на 1 моль SiO2. Высушенные гели
кремниевых кислот называют силикагелями.

10.

Силикаты подвергаются гидролизу как соли,
образованные слабыми кислотами (pH их водных
растворов > или = 7).
В природе в основном встречаются соли
поликремниевых кислот типа:
xR2O3 · ySiO2 · zH2O (где R – чаще всего Al)
Эти соединения также могут содержать
магний, железо, кальций и калий, а также
гидроксильные группы или воду.
В природных силикатах также могут
присутствовать фтор (F), бериллий (Be), бор (B),
титан (Ti).

11.

Алюминий может содержаться в силикатах в 2 формах:
а) в виде катиона Al3+ (это силикаты алюминия);
б) катион Al замещает Si в тетраэдре SiO4-4, т. е. входит в
состав аниона (это алюмосиликаты).
Кольцеобразную структуру атомов в алюмосиликатах В.И.
Вернадский назвал каолиновым ядром:
Оно сохраняется неизменным при химических превращениях.
Так как число валентных электронов у Al на единицу меньше, чем у
Si, тетраэдр приобретает лишний отрицательный заряд, который
нейтрализуется внедрением ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и т. п.

12.

13.

По структуре природные силикаты делят на 3 класса:
1) с решётчатой структурой (подобные кварцу);
2) слоистые минералы (подобные слюде);
3) волокнистые материалы (подобные асбесту).
Минералы с решётчатой структурой в большинстве
имеют тетраэдрическую структуру, в которой вместо
некоторых тетраэдров SiO4-4 находятся тетраэдры AlO4-5
и дополняющие катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и др.
К ним относятся алюмосиликаты, входящие в группу
полевых шпатов:
ортоклаз – KAlSi3O8 или К2О · Аl2О3· 6SiO2,
альбит – NaAlSi3O8 или Nа2О · Аl2О3· 6 SiO2,
анортит – CaAl2Si2O8 или СаО · Аl2 О3· 2SiO2.

14.

Ортоклаз
Анортит
Альбит

15.

Минералы со слоистой структурой состоят из слоёв,
включающих как тетраэдры, так и октаэдры.
К ним относятся:
тальк – Mg3Si4O10(OH)2 или (3MgO·4SiO2·H2O);
каолинит – Al2Si2O5(OH)4 или (Аl2О3·2SiO2·2H2O);
слюда – KAl3Si3O10(OH)2 или (K2О ·3Аl2О3·6SiO2·2H2O).
К волокнистым минералам относятся асбесты –
природные
основные
гидросиликаты,
преимущественно магния и железа, например:
Mg3Si2O5(OH)4 или (3MgO·2SiO2·2H2O).

16.

Каолинит
Асбест
Тальк
Слюда

17.

Природные продуты разложения алюмосиликатов
К2О·Аl2O3·6SiO2 + CО2 + 2H2O = Al2O3·2SiО2·2H2O + K2CO3 + 4SiO2
ортоклаз
каолин
кварц

18.

19.

2. Процессы твердения минеральных
вяжущих веществ
Строительными вяжущими веществами
называют
материалы,
которые образуют пластичную
удобообрабатываемую массу, постепенно
превращающуюся в камневидное тело.
В зависимости от происхождения вяжущие вещества
делят на 2 класса:
1) органические (битумы, дёгти);
2) неорганические (минеральные).

20.

Минеральные вяжущие вещества
различают:
1) по скорости твердения:
а) быстротвердеющие;
б) медленнотвердеющие;
2) по отношению к воде:
а) воздушные, продукты твердения которых
устойчивы только на воздухе, а в воде теряют
прочность.
б) гидравлические, которые могут твердеть не
только на воздухе, но и в воде.

21.

К воздушным минеральным вяжущим
относят:
1) Известковые (негашеная молотая, гашеная
или гидратная известь, известковое тесто);
2) Гипсовые (низкообжиговые: строительный,
формовочный, высокопрочный гипс;
высокообжиговые: ангидритовое вяжущее,
эстрих-гипс);
3) Магнезиальные (каустический магнезит,
каустический доломит);
4) Растворимое стекло.

22.

К гидравлическим минеральным вяжущим
относят:
1) Известковые (слабогидравлические,
сильногидравлические);
2) Романцемент;
3) Портландцемент и его разновидности;
4) Пуццолановые цементы;
5) Глиноземистый цемент;
6) Шлаковый цемент;
7) Специальные цементы.

23.

Основные требования к вяжущим веществам:
1. Вяжущие вещества в смеси с водой должны быть
термодинамически неустойчивы и иметь бÓльшую
растворимость, чем их гидратные новообразования
(термодинамическое).
2. Иметь значительную скорость взаимодействия с
водой, что обеспечивается высокой степенью дисперсности
вяжущего вещества и различной растворимостью вяжущих
веществ и их гидратных новообразований (кинетическое).
3. С небольшим количеством воды образовывать
пластичную, удобоукладываемую массу (технологическое).
4. Продукт гидратации должен быть прочным и
малорастворимым (долговечность).

24.

Сырьё для производства минеральных вяжущих
веществ – горные породы и вторичное сырьё.
Природные материалы:
1) гипсовые – гипсовый камень CаSО4·2H2O или ангидрит
CаSО4;
2) карбонатные – известняк СаСО3, доломит
MgСО3·СаСО3, магнезит MgСО3;
3) глины – каолин Al2O3·2SiО2·2H2O и мергели (содержащие
примеси СаСО3, MgСО3)
4) кремнеземистые – кварцевый песок SiO2.
Вторичное сырьё – побочные продукты металлургической,
энергетической, химической промышленности – шлаки,
активный кремнезём.

25.

3. Характеристика отдельных минеральных
вяжущих веществ
Строительная известь
Строительная известь – это простейшее вяжущее вещество, получаемое путём обжига известняка, мела,
ракушечника и других природных материалов. Главными
примесями являются глинозёмистые вещества.

26.

27.

Твердение извести
Известковое тесто затвердевает постепенно.
Наряду с этим происходит очень медленная
карбонизация (образование СаСО3):
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3
Из насыщенной жидкой фазы известкового теста
выделяются Са(ОН)2 и СаСО3, сначала в коллоидном
состоянии, потом в кристаллическом.
Состав известкового камня: СаСО3 + Са(ОН)2.

28.

29.

30.

31.

Производство гипсовых вяжущих веществ
Сырьё - двуводный гипс СаSО4·2H2O
и природный ангидрит СаSО4.
Основа производства - дегидратация СаSО4·2H2O.
Степень дегидратации гипса зависит от
температуры:
СаSО4·2H2O =
СаSО4· 0,5H2O + 1,5H2O
150-170 оС гипсовое вяжущее вещество
СаSО4·2H2O = СаSО4 + 2Н2О
1000о С ангидритовое вяжущее вещество

32.

33.

Спасибо за внимание!