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. Баш‑
катов. — 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 «Вя‑
жущие 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 систе‑
матическом увлажнении изделия из таких материалов быстро теря‑
ют 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 изме‑
нениями, происходящими в естественных материалах, на которых со‑
оружались очаги, люди пришли к первым выводам о процессах, про‑
исходящих в глине, песке, известняке или природном гипсовом камне 
при их термической обработке, а при воздействии на обожженные и из‑
мельченные гипсовые и известняковые камни водой была обнаружена 
способность этих материалов загустевать и затвердевать, впоследствии 
образуя более прочный, нежели из засохшей глины, камень. Несомнен‑
но, первыми были гипсовые вяжущие, которые образуются при нагре‑
вании 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 дости‑
жимы даже в примитивных очагах, отапливаемых дровами. С приме‑
нением этих вяжущих построены такие сооружения древнейших ци‑
вилизаций, как египетские пирамиды, Великая Китайская стена и др.
Столь раннее появление гипсовых и известковых вяжущих объяс‑
няется довольно широким распространением гипсового камня и кар‑
бонатов кальция в природе, а также их легкой разработкой: гипс, мел, 
известняк, ракушечник — очень мягкие материалы, а плотные извест‑
няки часто залегают в виде легко разделяемых плит. При этом во мно‑
гих случаях залежи выходят на поверхность, а комовая известь при 
гашении водой переходит в тонкодисперсное состояние, не требуя ме‑
ханического измельчения.
Первые гидравлические вяжущие появились так же благодаря изве‑
сти в Индии около 2,5 тыс. лет назад. При использовании в качестве 

Введение

песка в известковых растворах золы от сжигания топлива и слабообож‑
женных керамических остатков было замечено увеличение водостой‑
кости 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 зда‑
ний большого объема и т. п. Для повышения водостойкости и проч‑
ности известковых растворов римляне вначале также применяли до‑
бавку толченого кирпича, а с I–II веков до н. э. широкое применение 
получила природная порошкообразная порода — вулканический пе‑
пел, что способствовало получению более прочных и водостойких вя‑
жущих [1–3]. На основе известково‑пуццолановых цементов построи‑
ли 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, при‑
менялась известь со специальной добавкой — «цемянкой» в виде тол‑
ченого кирпича. Это повышало прочность и водостойкость строи‑
тельных растворов. Подобное вяжущее широко применялось как при 
строительстве Софийского собора в Киеве в ХI веке, так и Петербур‑
га во времена Петра I.
Сегодня воздушные вяжущие широко используются во внутренней 
отделке помещений, в производстве сухих строительных смесей и сме‑
шанных гидравлических вяжущих, а также изделий на их основе. Так, 
например, изделия на основе гипса не токсичны, легкие, архитектурно 
выразительные, декоративные, обладают малой тепло‑ и звукоизоля‑
цией, имеют высокие показатели по био‑, огне‑ и пожаростойкости. 
Они способны создавать благоприятный микроклимат в помещени‑
ях, так как могут поглощать и отдавать избыточную влагу в помеще‑
нии при перемене влажности.
Пособие предназначено для студентов, изучающих курс «Вяжущие 
вещества». Понимание данной дисциплины основано на тех знани‑
ях, которые студенты приобретают в результате освоения таких дис‑
циплин, как «Неорганическая химия», «Физическая химия строитель‑
ных материалов», «Кристаллография и минералогия» и «Строительные 
материалы. Материаловедение».

1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Г

ипсовыми вяжущими называют материалы, состоящие из дву‑
водного, полуводного или безводного сульфата кальция. По‑
следние две формы гипса получают обычно тепловой обра‑
боткой исходного сырья и его помолом. Существует несколько видов 
классификации этих веществ, наиболее полной является разделение 
в зависимости от способа производства и особенностей твердения. Со‑
гласно ей вяжущие делят на три группы:
· обжиговые (I группа) — получаемые в результате термической об‑
работки двуводного сульфата кальция. Они подразделяется на две 
подгруппы:
— низкообжиговые — строительный, формовочный, медицинский 
и высокопрочный гипс, а также гипсовые вяжущие из гипсосо‑
держащих материалов. Они образуются в результате обжига при 
температурах порядка 110–180 °C. Состоят из полуводного гип‑
са CaSO4 · 0,5H2O, характеризуются быстрым твердением;
— высокообжиговые — ангидритовый цемент (ангидритовое вя‑
жущее), ангидритовый отделочный цемент, высокообжиговый 
гипс (эстрих‑гипс). Их получают путем обжига при темпера‑
турах 600–1000 °C. Они медленно схватываются и твердеют, 
состоят из ангидрита CaSO4 и активатора твердения;
· безобжиговые (II группа), получаемые без термической обработ‑
ки исходного сырья. Это материалы на основе природного гип‑
са CaSO4 · 2H2O или природного ангидрита CaSO4, для активации 
которых к ним добавляются на стадии помола специальные до‑
бавки — активизаторы. В группу входят ангидритовый и гипсо‑
вый 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 хими‑
ческими добавками. К ним относят гипсоцементно‑пуццолано‑
вые (ГЦПВ), гипсоцементно‑шлакопуццолановые, композици‑
онные гипсовые вяжущие (КГВ), композиционные ангидритовые 
вяжущие, гипсоизвестковошлаковые (ГИШВ), гипсоизвестко‑
вые и гипсошлаковые вяжущие.
При этом вяжущие I и II группы являются воздушными, а III — ги‑
дравлическими, за исключением двух последних веществ.

1.1. Сырье для производства вяжущих

Основным источником сырья являются природные месторождения 
гипса, ангидрита и гипсосодержащих пород. Перспективными для по‑
лучения вяжущих считаются отходы химических производств: фосфо‑
гипс, фторогипс, борогипс, титаногипс.

1.1.1. Природные материалы

Природный гипс — минерал состава CaSO4 · 2H2O, в химическом от‑
ношении является сернокислым кальцием, связанным с двумя мо‑
лекулами воды, поэтому его часто называют двуводным гипсом или 
двугидратом. Слагает горную осадочную породу, того же названия, об‑
разующуюся 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, име‑
ющий меньшую растворимость в сравнении с хлоридами натрия, ка‑
лия, магния и их сульфатами. Природный гипс может появиться в ре‑
зультате реакции сернокислых вод с известняком:

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

Источником серной кислоты в данном случае будет колчедан и пи‑
рит, залегающие совместно с известняком.

1. ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Химический состав чистого гипса, 
мас. %: 32,6 СаО; 46,5 SO3; 20,9 Н2 О. Кро‑
ме кристаллизационной, он имеет еще 
и гигроскопическую влагу, находящую‑
ся как на поверхности камня, так и в его 
порах. Ее количество может варьиро‑
ваться от нескольких долей до 10–15 %. 
Кристаллизуется в моноклинной синго‑
нии. Кристаллы могут быть пластинча‑
тые, столбчатые, игольчатые и волокни‑
стые. Они обладают весьма совершенной 
спайностью по плоскостям симметрии, 
по другим направлениям менее совер‑
шенны. Кристаллическая решетка име‑
ет слоистое строение и характеризуется 
строго закономерным расположением 
атомов. Две анионные группы SO4
2– свя‑
заны с ионами кальция Са 2+ [1–5]. Они 
образуют двойные слои, между которы‑
ми располагаются молекулы воды. Ионы 
кальция окружены шестью ионами кис‑
лорода группы SO4
2– и двумя молекула‑
ми Н2 О. Каждая молекула последней связывает ион кальция с одним 
ионом кислорода того же двойного слоя и с одним ионом О 2– сосед‑
него (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, твер‑
дость по шкале Мооса 1,5–2,0, плотность чистого гипса 2320, гип‑
сового 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 сни‑
жается 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 кри‑
сталлов, 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 — селе‑
нит (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 сай‑
та http://pro‑kamni.ru/angidrit)

Ангидрит — безводный сульфат кальция CaSO4. Химический со‑
став чистого материала, мас. %: 41,2 СаО; 58,8 SO3. Кристаллизуется 
в ромбической сингонии. Мелкие кристаллы имеют толстотаблитча‑
тую, призматическую или кубическую форму. Совершенная спай‑
ность по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Встреча‑
ется в виде землистых либо волокнистых агрегатов (рис. 2, д, е). Цвет 
белый, сероватый, темно‑серый, редко голубой или розоватый. Анги‑
дрит имеет стеклянный блеск и неровный излом. Способен растворять‑
ся в серной кислоте и частично в соляной. В воде растворяется сла‑
бо, 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 двувод‑
ного гипса с глинистопесчаным и карбонатным материалом. Они име‑
ют разные названия: глиногипс, гипс землистый, гажа, ганч, арзик. 
По своей структуре — тонкодисперсная механическая смесь либо рых‑
лое, слабосцементированное образование серого, желтоватого или бу‑
рого цветов. Основные три компонента породы: глина, гипс и карбо‑
наты — 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 зале‑
жей 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 превы‑
шает метр. Значительную роль в генезисе этих пород играют процес‑
сы выветривания и разрушения горных пород, а также миграция про‑
дуктов 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, остаточ‑
ные и метасоматические. Осадочные месторождения по условиям их 
образования делятся на сингенетические (породы и включенный в них 
гипс образовались одновременно) и эпигенетические (результат про‑
цесса 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, раз‑
дувами и пережимами. Месторождения гипса в России почти всегда