Stężenie procentowe

Stężenie procentowe określa ilość gramów substancji rozpuszczonej, zawartej w 100g roztworu. Stężenie procentowe (Cp) jest stosunkiem (w procentach) masy substancji rozpuszczonej (m_s) do masy całego roztworu (m_r), którą przyjmuje się za 100%:

Cp=m_s/m_r ∙100%

lub

Cp=(m_s∙100%)/m_s+m_rozp

gdzie: m_rozp - masa rozpuszczalnika.

Stężenie molowe

Stężenie molowe roztworu określa liczbę moli substancji rozpuszczonej w l dm³ roztworu. Stężenie molowe (Cm) jest stosunkiem liczby moli substancji rozpusz­czonej (n) do ogólnej objętości roztworu (V_r), wyrażonej w dm³. Zależność tę przedstawia wzór:

Cm=n/V_r mol/dm³

Liczbę moli substancji rozpuszczonej n można obliczyć według wzoru:

n=m_s/M

gdzie: m_s - masa substancji rozpuszczonej, M -masa molowa substancji rozpuszczonej.

Zatem:

Cm=m_s/M∙V_r mol/dm³

Technika zabezpieczeń elementów konstrukcji z materiałów mineralnych

Wyroby pochodzenia skalnego mają ściśle określoną odporność chemiczną i stosowane są bez specjalnych zabezpieczeń, jeżeli tylko spoiwa łączące elementy są odporne na korozję. O odporności kamieni naturalnych na korodujące działanie wód kwaśnych decyduje zawartość krzemionki. Kamienie naturalne zawierające powyżej 55% SiO₂ zalicza się do kwaśnych, a tym samym odpornych na kwasy. Krzemionka może mieć budowę krystaliczną (ziarna piasku) lub bezpostaciową (np. ziemia okrzemkowa) - mniej odporna na kwasy. Krzemionka rozpuszcza się w kwasach: HF, H₃P0₄ (w 300^oC), H₂Mo₄, H₂MoO.

Beton stanowiący podstawowe tworzywo budowlane ma odporność zmienną, zależną od technologii produkcji i odporności chemicznej składników (cementu, kruszywa). Zabezpieczenie betonowych konstrukcji budowlanych polega głównie na uzyskaniu odpowiednich cech strukturalnych, tzn. gęstości, szczelności i chemoodporności. Jeżeli zachodzą trudności zabezpieczenia betonu przez nadanie mu struktury zabezpieczającej potrzebną chemoodporność, stosuje się zabezpieczenie izolacyjne w postaci powłok z materiałów chemoodpornych. Stąd zabezpieczenie betonu można podzielić na dwie grupy:

- zabezpieczenie strukturalne, - zabezpieczenie izolacyjne.

Technika zabezpieczeń strukturalnych

Zabezpieczenie strukturalne betonu - mechaniczne i chemiczne:

a) Uszczelnianie mechaniczne betonów (dawniej ubijanie). Zagęszczenie betonu przez wibrowanie. Nadają się do tego betony wilgotne i gęstoplastyczne.

Torkretowanie . Sucha mieszanka zaprawy cementowej tłoczona przez sprężone powietrze miesza się z rozpyloną wodą dodawaną w dyszy na kilka centymetrów przed otworem wyjściowym. Otrzymana masa betonu wytryskuje z dużą siłą i przywiera do dowolnie nachylonej powierzchni torkretowanej. Torkretowanie pozwala na uzyskanie betonu szczelnego, a poza tym może służyć jako sposób łączenia nowego betonu ze starym.

b) Uszczelnianie chemiczne betonów.

Krzemianowanie stosowane do uszczelniania może być wykonane przez nasycenie wierzchniej warstwy betonów i kamieni roztworem chlorku wapniowego lub chloranu wapniowego. a następnie po wyschnięciu roztworem szkła wodnego.

Na₂SiO₃ + CaCl₂ → CaSiO₃ + 2NaCl

Na₂SiO₃ + Ca(ClO₃)₂ → CaSiO₃↓ + 2NaClO₃

Powstający przy tym nierozpuszczalny CaSiO₃ wypełnia pory: NaCl i NaClO₃ zmywa się wodą. Dzięki częściowo wydzielonemu koloidalnemu kwasowi krzemowemu wzrasta nieco odporność na działanie kwasów.

Fluatowanie jest kosztowniejsze, lecz trwalsze od krzemianowania. Stosuje się go do utrwalania i uszczelniania powierzchni kamieni naturalnych i betonów. Betony i kamienie nie zawierające CaCO₃ wymagają uprzednio nasycenia roztworem CaCl₂, a potem fluatami. Fluaty są to roztwory wodne najczęściej fluorokrzemianu cynku (ZnSiF₆ ∙ 6H₂0), fluorokrzemianu magnezu (MgSiF₆) lub innych fluorokrzemianów. Działają one korodująco na metale i szkło i są toksyczne (odczyn kwaśny). Fluaty działają uszczelniająco na powierzchnie betonów i tynków, zmniejszając ich nasiąkliwość i ścieralność oraz zwiększają mrozoodporność i chemoodporność. Używane są również do neutralizacji podłoży cementowych przed malowaniem farbami ulegającymi zmydleniu pod wpływem alkaliów (np. farby chlorokauczukowe, olejne).

Produkty handlowe do fluatowania należy odpowiednio przygotować. Krystaliczny ZnSiF₆∙6H₂0 należy rozpuścić w wodzie bezpośrednio przed stosowaniem. Jeśli roztwór jest mętny, należy go przesączyć. Fluorokrzemian magnezowy MgSiF₆ należy rozcieńczyć wodą (w naczyniach emaliowanych lub drewnianych).

Fluatowane powierzchnie powleka się 2-4 krotnie, za każdym razem czekając do całkowitego wyschnięcia. Do I-go fluatowania stosuje się roztwory 10%-owe, do następnych roztwory 20%-owe. Beton i tynki można fluatować nie wcześniej niż po 28 dniach ich dojrzewania. Powierzchnie fluatowane powinno się po 4-5 dniach zmyć wodą.

Powstające nierozpuszczalne związki fluoru i krzemu uszczelniają powierzchnię betonu, tynku, kamienia, zabezpieczając przed działaniem wody.

Tartaryzacja polega na powierzchniowym powlekaniu betonu kwasem winowym, który tworzy z Ca(OH)₂ winian wapniowy trudno rozpuszczalny.

Na przykład zabezpieczenie zbiorników betonowych na wino przed działaniem rozcieńczonych kwasów organicznych przeprowadza się następująco: powierzchnię zbiornika zmywa się dokładnie wodą i kilkakrotnie powleka się 20%-owym roztworem kwasu winowego. Każdą następną warstwę należy nanosić po wyschnięciu poprzedniej. Następnie zbiornik napełnia się wodą na czas 25 dni i po ponownym umyciu zbiornika nadaje się on do użycia. W tym przypadku do betonu należy używać kruszywo niewęglanowe i cement ubogi w CaO.

Zabezpieczenie izolacyjne

Estry kwasów tłuszczowych (woski) lub sole sodowe, potasowe, cynkowe, wapniowe itp. zwane mydłami, rozpuszczone np. w benzynie lub innym rozpuszczalniku organicznym mają własności hydrofobowe - niezwilżalne wodą. Pospolitym środkiem do hydrofobowania jest roztwór mydła potasowego w spirytusie. Stosunkowo tanio można hydrofobować powierzchnie kamienne i betonowe roztworami opartymi na węglowodorach i mydle, np. emulsją parafinową o stężeniu 2-5%-owym. Przygotowanie emulsji przeprowadza się następująco: gorący roztwór mydła wlewa się strumieniem do 20%-owego roztworu benzynowego parafiny przy ciągłym mieszaniu (1 godzina). Obecnie szeroko stosuje się do hydrofobowania roztwory metylosilikanów.

Na dłuższy okres można hydrofobować tynki przez dodanie do zaprawy stearynianu wapniowego np. w ilości 3-5% w stosunku do masy użytego cementu. Zabezpieczone w ten sposób tynki mają większą odporność na działanie agresywnej atmosfery przemysłowej. Stosowane są również dodatki tworzyw sztucznych tzw. polimerobetony. Stosuje się też malowanie powierzchni betonowych farbami emulsyjnymi lub chlorokauczukowymi.

Cement portlandzki: skład chemiczny i mineralny: cement portlandzki jest spoiwem hydraulicznym otrzymywanym przez zmielenie klinkieru cementowego z dodatkami regulującymi czas wiązania głównie z gipsem w ilości 2%.Skład chemiczny klinkieru można przedstawić podając zawartość tlenków poszczególnych pierwiastków. Skład chemiczny klinkieru - CaO,SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,MgO. Stosunki ilościowe miedzy chemicznymi składnikami klinkieru cementowego wyraża się przy pomocy modułów, których wartość charakteryzuje rodzaj i wartości cementu. Najważniejszy jest moduł hydrauliczny który podaje stosunek zawartości % składnika zasadowego-tlenku wapniowego do sumy składników kwasowych. Moduł nasycenia KINDA podaje stosunek ilościowy wapnia przypadającego na krzemionkę do tej ilości wapna która jest teoretycznie potrzebna do utworzenia z krzemionki krzemianu trójwapniowego. Udział poszczególnych składników chemicznych klinkieru decyduje o odpowiednim składzie miner., klinkier bowiem jest mieszanina minerałów syntetycznych których własności chemiczne i fizyczne wpływają na czas wiązania i twardnienia cementu, jego kaloryczność, wytrzymałość i inne. SKLAD MINERALNY. Cementu: Allit -krzemian 3wapniowy 3CaO*SiO₂ Belit - krzemian 2wpaniowy 2CaO*SiO₂ lub glinian 3wapniowy, brownmilleryt, glinożelazian 4wapniowy lub 3glinian 5wapniowy, gips -2wodny siarczan wapnia CaSO₄ ∙ 2H₂O .Najważniejszym składnikiem cementu port. jest alit. Jest to związek silnie zasadowy: w normalnej temp jest nietrwały. W cemencie występuje w stanie przechłodzenia, ujawniając duża aktywność chemiczną w stosunku do wody- w reakcjach tych wydzielają się duże ilości ciepła. Odznacza się zdolnością do szybkiego twardnienia. Krzemian 2wapniowy występuje w 3 odmianach. Belit twardnieje powoli z wydzielaniem małych ilości ciepła. Glinian 3wapniowy ma silne własności hydrauliczne. Całkowite stwardnienie następuje bardzo szybko, w dalszym okresie przyrost wytrzymałości jest niewielki. Brownmilleryt ma szarozielone zabarwienie które nadaje także cementowi. Jego własności hydrauliczne są słabe.

Wiązanie i twardnienie cementu - najważniejszą dla praktyki własnością cementu jest zdolność przechodzenia zaczynu otrzymanego po wymieszaniu cementu z woda ze stanu plastycznego w postać stałą o dużej wytrzymałości mechanicznej a wiec do wiązania i twardnienia.

Teoria LA CHATELIERA - teoria krystalizacyjna, przyjmuje przebieg trzech kolejnych etapów: 1) chemiczne zjawisko uwodnienia cementu, 2) fizyczne zjawisko krystalizacji, 3) mechaniczne zjawisko twardnienia. Następna teoria mówi że najpierw tworzą się koloidalne produkty uwodnienia składników cementu. Powstały żel ulega zagęszczeniu i stwardnieniu jako bezpostaciowa masa.

Teoria Bajkowa dzieli całość procesów na 3 etapy: a) okres zarobienia wodą, w którym zapoczątkowane są reakcje chemiczne i fizykochemiczne w układzie, b) okres koloidyzacji objawiający się utratą plastyczności materiału, c) okres krystalizacji i odparowania nadmiaru wody z ciał koloidalnych czyli okres twardnienia. W reakcjach przebiegających miedzy składnikami cementu i wodą w etapie a) i b) tworzą się nowe związki o rozpuszczalności znacznie mniejszej niż rozpuszczalność substancji wyjściowych, w skutek czego następuje wydzielanie się produktów z przesyconego roztworu w postaci koloidalnego osadu.

Reakcje chemiczne, które przebiegają w czasie wiązania cementu to hydroliza i hydratacja. Alit ulega hydrolizie i hydratacji zgodnie z równaniem

3CaO ∙ SiO₂ + nH₂O 2CaO ∙ SiO₂ ∙ (n-1)H₂O + Ca(OH)₂.

Reakcja ta przebiega energetycznie natychmiast po zarobieniu cementu z wodą. Belit ulega powolnej hydratacji. Alit i Belit są krzemianami wyspowymi. Początkowe produkty ich hydrolizy są także krzemianami wyspowymi. Wytwarzają one bardziej złożone struktury krzemianowe - łańcuchowe i wstęgowe. Glinian 3wapaniowy reaguje początkowo z zawartym w cemencie gipsem dając sól CANDLOTA

3CaO ∙ Al₂O + 3CaSO₄ + 31H₂O 3CaO ∙ Al₂O₃ ∙ 3CaSO₄ ∙ 31H₂O.

Jest to sól podwójna. Nie zużyta. w reakcji z gipsem część glinianu 3wapniowego w podwyższonej temp. ulega uwodnieniu

3CaO ∙ Al₂O₃ + 6H₂O 3CaO ∙ Al₂O₃ ∙ 6H₂O

Możliwy jest także przebieg reakcji glinianu z wodorotlenkiem wapnia

3CaO ∙ Al₂O₃ + Ca(OH)₂ + 12H₂0 4CaO ∙ Al₂O₃ ∙ 13H₂O.

Produkty hydrolizy bromwnmillerytowej zostają uwodnione

4CaO ∙ Al₂O₃ ∙ Fe₂O₃ + 7H₂O 3CaO ∙ Al₂O₃ ∙ 6H₂O + CaO ∙ Fe₂O₃ ∙ H₂O.

Składnikami stwardniałych tworzyw cementowych są: a) wodorotlenek wapniowy w ilościach dużo większych niż równoważne wolnemu CaO w klinkierze cementowym, b) uwodnione krzemiany wapnia o różnym stosunku tlenku wapniowego do tlenku krzemowego, c) uwodnione gliniany wapniowe, d) uwodnione żelaziany wapniowe, e) sole podwójne utworzone przez glinian wapniowy z innymi solami wapniowymi.

Inne gatunki cementów:

- glinowy - jest spoiwem hydraulicznym składającym się głównie z glinianów wapniowych: glinianu jednowapniowego CaO ∙ Al₂O₃, dwuglinianu jednowapniowego CaO ∙ 2Al₂O₃, trójglinianu pięciowapniowego 5CaO ∙ 3Al₂O₃. Poza tym zawiera on także krzemian dwuwapniowy oraz glinokrzemian wapnia. Materiałem wyjściowym do produkcji są boksyty i wapienie, które po rozdrobnieniu stapia się lub doprowadza do zeszklenia w temp. odpowiednio 1750 lub 1600 K. Po zarobieniu wodą następuje wiązanie cementu, w którym głównym procesem jest uwodnienie i hydroliza glinianów wapnia.

Bardzo rozpowszechniony jest cement hutniczy otrzymywany przez przemielenie żużla wielkopiecowego (20-80%) z klinkierem cementu portlandzkiego (15-75%) i gipsem (do 5%). Cement hutniczy w pewnych warunkach charakteryzuje się znaczniejszą odpornością chemiczną niż cement portlandzki, dlatego też jest stosowany do wykonywania betonów narażonych na działanie wody morskiej i wód agresywnych.

Cement wapienno-żużlowy produkuje się przez zmielenie granulowanego zasadowego żużla wielkopiecowego i wapna palonego lub hydratyzowanego oraz gipsu. Ten gatunek cementu ma słabe własności hydrauliczne: procesy wiązania spoiwa zachodzą bardzo powoli. Stosowany jest do robót murarskich, charakteryzuje się niską wytrzymałością.

KRZEMIANY

Pod względem rozpowszechnienia krzem jest drugim po tlenie (46,6%) pierwiast­kiem znajdującym się w skorupie ziemskiej (25,8%). Krzem w przyrodzie wystę­puje tylko w stanie związanym (w połączeniu z tlenem). W postaci ditlenku krzemu (SiO2) jest podstawowym składnikiem kwarcu, opalu, piasku i krzemienia; w postaci kompleksowych glinokrzemianów, żelaza, wapnia, sodu, potasu i innych metali stanowi podstawę praktycznie wszystkich skał, glin i gleb.

W stanie wolnym ditlenek krzemu stanowi ok. 12% skorupy ziemskiej. Jeżeli uwzględnić minerały, w których występuje on w postaci związanej (krzemiany i glino­krzemiany), to zawartość jego dochodzi do 52% skorupy ziemskiej.

Najczęściej spotykaną w przyrodzie odmianą krystaliczną ditlenku krzemu jest kwarc. Znacznie rzadziej spotykane są: trydymit i krystobalit. Szczególnie pięk­nie uformowane, zupełnie przezroczyste kryształy kwarcu noszą nazwę kryształu górskiego. Spotyka się też odmiany kwarcu zabarwione przez drobne ilości zanie­czyszczeń, np. ametyst (fioletowy), chryzopraz (zielonkawy), cytryn (żółty), morion (czarny).

Kwarc występuje także jako składnik licznych skał (granity, gnejsy, kwarcyty, piaskowce). Stopiony kwarc podczas szybkiego oziębiania nie ulega krystalizacji, lecz zastyga w postaci bezpostaciowej masy - szkła kwarcowego.

Krystaliczny ditlenek krzemu może występować w licznych odmianach, a miano­wicie jako kwarc α i β (układ heksagonalny), trydymit α, β i γ (układ heksagonalny) oraz krystobalit α i β (układ regularny).

W formie bezpostaciowej ditlenek krzemu spotykany jest jako opal (wykazujący opalescencję) oraz jego odmiany: agat, jaspis, onyks, krwawnik. Inną odmianą bezpostaciową dwutlenku krzemu jest ziemia okrzemkowa, która powstała przez osadzanie się na dnie oceanów szkieletów krzemionkowych okrzemek. Jest ona ma­teriałem o wysokiej porowatości, wykazującym zdolność wchłaniania znacznych ilości cieczy i gazów.

Ditlenek krzemu jest odporny na działanie czynników chemicznych. Nie reaguje z żadnym kwasem oprócz fluorowodorowego - tworząc tetrafluorek krzemu (SiF₄):

SiO₂ + 2H₂F₂ 7SiF₄ + 2H₂O

Reakcja ta znalazła zastosowanie do trawienia napisów na szkle.

Stapianie krzemionki z wodorotlenkiem lub węglanem metalu alkalicznego prowadzi do powstania rozpuszczalnych w wodzie krzemianów alkalicznych:

SiO₂ + 2NaOH Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + 4NaOH Na₄SiO₄ + 2H₂O

SiO₂ + Na₂CO₃ Na₂SiO₃ + CO₂

SiO₂ + 2Na₂CO₃ Na₄SiO₄ + 2CO₂

Ditlenek krzemu nie reaguje z wodą, jest jednak bezwodnikiem kwasu meta­krzemowego (zwanego potocznie krzemowym) H₂SiO₃, który powstaje w postaci trudno rozpuszczalnej białej zawiesiny, w reakcjach rozpuszczalnych krzemianów z kwasami, np. wodny roztwór krzemianu sodu:

Na₂SiO₃ + 2HCl 2NaCl + H₂SiO₃

W podobny sposób przebiega reakcja z ditlenkiem węgla:

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O Na₂CO₃ + H₂SiO₃

Reakcja ta dowodzi, że kwas krzemowy jest słabszym elektrolitem od kwasu węglowego. Kwasy krzemowe można również otrzymać przez hydrolizę dobrze rozpuszczalnych krzemianów sodowych, np.ortokrzemian sodu (Na₄SiO₄) ulegając hydrolizie daje bardzo słaby kwas ortokrzemowy:

Na₄SiO₄ + 4H₂O H₄SiO₄ + 4NaOH

Kwas ortokrzemowy wykazuje tendencję do odszczepiania wody i kondenso­wania się z utworzeniem kwasów wielokrzemowych: kwas ortodikrzemowy (H₆Si₂O₇), ortotrikrzemowy (H₈Si₃O_l0) i inne. Tylko najprostsze kwasy krzemowe tworzą roztwory rzeczywiste. Wyższe kwasy tworzą tylko roztwory koloidalne. Galaretowaty żel, wydzielający się z roztworu w wyniku procesu kondensacji jest złożoną mieszaniną kwasów krzemowych, będących pro­duktami wielokrotnej kondensacji. Udało się wydzielić w postaci czystych kwasów krzemowych tylko kwas metakrzemowy. (H₂SiO₃) i kwas metadikrzemowy (H₂Si₂O₅). Pozostałe ulegają bowiem natychmiastowemu rozkładowi na ditlenek krzemu i wodę. Najczęściej spotyka się sole kwasów:

H₂SiO₃ metakrzemowy (SiO₂∙H₂O)

H₄SiO₄ ortokrzemowy (SiO₂∙2H₂O)

H₆Si₂O₇ ortodwukrzemowy SiO₂∙3H₂O)

H₂Si₂O₅ metadwukrzemowy 2SiO₂∙H₂O)

Kwasy o wzorze ogólnym nSiO₂∙mH₂O noszą nazwę kwasów polikrzemowych. Symbol n oznacza liczbę moli SiO₂ hydratowanych przez m moli H₂O.

CEMENTY HUTNICZE

Cement hutniczy jest spoiwem otrzymanym przez zmielenie klinkieru portlandz­kiego i żużla wielkopiecowego z dodatkiem siarczanu wapnia (tab. 13). Zawartość żużla wielkopiecowego wynosi ok. 50%. Jest to spoiwo o podwyższonej zawartości składników hydraulicznych (SiO₂, AlO₃, Fe₂O₃), kosztem tlenku wapnia (CaO). Powoduje to większą odporność na działanie wód agresywnych, szczególnie siar­czanowych.

Skład chemiczny cementu hutniczeg:

SiO₂ - 25 - 35 %

CaO - 43 - 55 %

MgO - 1- 8 %

Al₂O₃ - 8 - 20 %

Fe₂0₃ - 1- 5 %

SO₃ - 2 - 4 %

Proces wiązania i twardnienia cementu hutniczego przebiega podobnie jak w ce­mencie portlandzkim. Natomiast obecne w żużlu gliniany i glinokrzemiany, np.: 2CaO . AlO₃ . SiO₂, 2 CaO ∙ SiO₂, CaO∙AlO₃∙2SiO₂, 2 CaO∙MgO∙2SiO₂, rozkładają się w silnie zasadowym wodoro­tlenku wapnia.

CEMENTY PUCOLANOWE

Cement pucolanowy jest spoiwem otrzymanym przez zmielenie klinkieru port­landzkiego i "pucolany", z dodatkiem siarczanu wapnia. Nazwa "pucolana" obej­muje materiały pochodzenia naturalnego (np. tufy, ziemia okrzemkowa, popioły wulkaniczne) lub przemysłowego (popioły lotne ze spalania węgla energetycznego), mające zdolność wiązania wodorotlenku wapnia. Same pucolany nie są aktywne, ich zdolność wiązania objawia się dopiero w środowisku silnie alkalicznym, jaki w zaczynie cementowym tworzy wodorotlenek wapnia.

Cementy pucolanowe ze względu na mniejszą zawartość wodorotlenku wapnia są odporne na agresywne działanie wód miękkich, morskich i siarczanowych.

CEMENTY GLINOWE

Cement glinowy jest spoiwem hydraulicznym, otrzymanym z klinkieru glinowego. Klinkier glinowy otrzymuje się przez wypalanie (temp. ok. l500°C) wysokogatunko­wych wapieni (CaCO₃) z boksytem. Podczas mielenia nie dodaje się siarczanu wapnia.

Skład chemiczny cementu glino­wego

Al₂O₃ 34 - 45%

CaO 25 - 45%

SiO₂ do 10%

FeO₃ do 10%

Głównymi składnikami (60 - 90%) są: glinian jednowapniowy - CaO∙Al₂O₃ (CA) i dwuglinian jednowapniowy - CaO∙2AlO₃ (CA₂). Pozostałe składniki to: siedmioglinian dwunasto wapniowy - 12CaO∙7Al₂O₃(C₁₂A₇), glinokrzemian dwuwapniowy - 2CaO∙Al₂O₃∙SiO₂ (C₂AS), żelazian wapnia - CaO∙Fe₂O₃ (CF) oraz żelazian dwuwapniowy - 2CaO∙Fe₂O₃ (C₂F).

Glinian wapniowy (CA) jest składnikiem bardzo aktywnym, wysokokalorycznym i nadającym wysoką wytrzymałość mechaniczną stwardniałemu cementowi, nato­miast dwuglinian jednowapniowy (CA₂) - jest składnikiem mniej aktywnym, lecz o wysokiej ogniotrwałości.

Proces wiązania i twardnienia cementu glinowego polega na tworzeniu hydratów oraz wodorotlenku glinu. W zależności od temperatury proces hydratacji przebiega następująco:

CaO∙Al₂O₃ + 10H₂O→ CaO∙Al₂O₃∙10H₂O

2(CaO∙Al₂O₃) + 14H₂0→ 2CaO∙Al₂O₃∙8H₂O + 2Al(OH)₃

3(CaO∙Al₂O₃)+18H₂O→ 3CaO∙*Al₂O₃∙6H₂O + 4Al(OH)₃

CaO∙2Al₂O₃ + 16H₂O → CaO ∙. Al₂O₃∙10H₂O + 2Al(OH)₃

Cementy glinowe są cementami normalnie wiążącymi, lecz szybko twardniejącymi i ognioodpornymi. Brak wodorotlenku wapnia w produktach wiązania zwiększa odporność na kwasy i siarczany.

CEMENTY ROMAŃSKIE

Cement romański jest spoiwem hydraulicznym otrzymywanym przez wypalanie (temp. ok. 1100°C) margli, zawierających ok. 50 - 70% wapieni i 30 - 50% gliny. Głównymi składnikami są: krzemian dwuwapniowy - 2CaO∙SiO₂ (C₂S), glinian jednowapniowy - CaO∙AlO₃ (CA) oraz żelazian dwuwapniowy - 2CaO∙Fe₂O₃ (C₂F).

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe zaliczane do grupy spoiw powietrz­nych są stosowane w budownictwie od czasów starożytnych. W Polsce, ze względu na szczególnie bogate złoża surowców do otrzymywania tych spoiw zastosowanie zapraw gipsowych notuje się już od XI wieku.

Spoiwa gipsowe oparte są na półwodnym siarczanie wapniowym 2CaSO₄ • H₂O; są to spoiwa szybko wiążące. Zaliczamy do nich: gips budowlany, gips modelowy, gips wysokowytrzymałościowy. Spoiwa anhy­drytowe - oparte na bezwodnym siarczanie wapniowym CaSO₄ zwane ina­czej spoiwami gipsowymi wolnowiążącymi - obejmują cement anhydryto­wy, estrichgips (gips lastrykowy) i cementy specjalne. W produkcji omawianych gatunków spoiw surowcami są kamienie gipsowe (CaSO₄ • 2H₂O) i anhydryty (CaSO₄), które poddaje się odpowiednio praże­niu i mieleniu lub suszeniu i rozdrabnianiu ze specjalnymi dodatka­mi.

Proces dehydratacji gipsu. Prażenie gipsu w temp. 450 K - 470 K powoduje przebieg reakcji odwodnienia według równania:

CaSO₄ • 2H₂0 CaSO₄ • ¹/₂H₂0 + ³/₂H₂0 - 99,24 kJ

Jest to reakcja endotermiczna, a zatem wzrost temperatury sprzyja zwiększeniu wydajności procesu. W zależności od warunków, w jakich reakcja przebiega, powstają różne odmiany półwodnego siarczanu wap­niowego α lub β.

Półhydrat α tworzy się przy powolnym ogrzewaniu gipsu w atmosferze nasyconej pary wodnej. Odmiana ta występuje w postaci dobrze wy­kształconych kryształów, charakteryzując się dużą wytrzymałością. Gips wysoko wytrzymałościowy zawiera prawie wyłącznie odmianę α półhydratu. Półhydrat β otrzymywany przy stosunkowo wysokich tem­peraturach w suchej atmosferze jest drobnokrystaliczny. Charaktery­zuje się on niską wytrzymałością i mniejszym niż odmiana α cięża­rem właściwym, natomiast wykazuje dużą rozpuszczalność i większą zdolność do reakcji z wodą. Gips budowlany i modelowy jest mieszaniną obu odmian półhydratu. Stosunek ich zawartości zależy od spo­sobu prowadzenia procesu prażenia.

Dalsze ogrzewanie półhydratów powoduje ich całkowite odwodnienie - tworzy się bezwodny siarczan wapniowy - anhydryt III, czyli an­hydryt rozpuszczalny

CaSO₄ • ¹/₂H₂O CaSO₄ + ¹/₂H₂O

Występuje on także w dwu odmianach α i β, które powstają odpo­wiednio z odmiany α i β półhydratu.

Ogrzewanie anhydrytu III w temp. 500 - 600 K powoduje jego przemianę w anhydryt II, czyli anhydryt nierozpuszczalny, iden­tyczny z anhydrytem występującym w przyrodzie. Odmiana ta w temp. wyższych od 1450 K ulega przemianie w anhydryt I.

W praktyce w celu otrzymania cementu anhydrytowego praży się gips w temp. ok. 900 - 1000 K, powodując przebieg reakcji, w której otrzymuje się anhydryt II

CaSO₄ • 2H₂O CaSO₄ + 2H₂O

Przy wyprażeniu surowca gipsowego w temp. wyższych (1150 ­- 1300 K) powoduje się nie tylko jego odwodnienie do anhydrytu II, ale równocześnie także częściowe rozłożenie bezwodnego siarczanu według równania

CaSO₄ CaO + SO₂ + ¹/₂O₂

Temu samemu procesowi ulega też w podanych warunkach naturalny an­hydryt. Produkt reakcji zawierający około 3% tlenku wapniowego jest podstawowym składnikiem estrichgipsu.

Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych. Po zmieszaniu z wodą zmielonego spoiwa gip­sowego składającego się głównie z półhydrytu, rozpoczyna się sze­reg kolejnych lub równocześnie następujących procesów, które do­prowadzają ostatecznie do powstania krystalicznego dwuwodnego siar­czanu wapniowego. Ilość wody, jaką stosuje się do otrzymania zapraw jest zawsze o wiele większa od obliczonej stechiometrycznie, gdyż trzeba uwzględnić zjawiska zwilżania wodą powierzchni ziarn krys­talicznych oraz konieczność uzyskania plastyczności materiałów i utworzenia się nasyconego roztworu. Proces wiązania i twardnienia spoiw gipsowych przebiega w kilku etapach. Moż­na wyróżnić trzy stadia:

1. Stadium przygotowawcze - półhydrat ulega nawilżeniu, pęcznie­niu i częściowemu rozpuszczeniu w wodzie zarobowej. Proces ten prze­biega na granicy faz półhydrat - woda, im bardziej jest więc drobno­krystyliczny materiał, tym większa jest powierzchnia granicy faz i tym szybciej następują zjawiska. Przechodzenie rozpuszczającego się ciała od powierzchni granicznej w głąb roztworu, a także przenika­nie cząsteczek rozpuszczalnika do powierzchni fazy stałej podporząd­kowane jest prawom dyfuzji. Powstaje roztwór o stężeniu większym niż stężenie nasyconego roztworu dwuwodnego siarczanu wapniowego, gdyż rozpuszczalność półhydratu jest znacznie większa niż rozpuszczalność gipsu dwuwodnego. W konsekwencji więc z roztworu wydziela się dwu­wodny siarczan wapniowy; tym samym umożliwione jest rozpuszczanie się dalszych ilości półhydratu.

2. Stadium koloidyzacji - siarczan wapniowy dwuwodny wydziela się w postaci koloidowej; proces ten rozpoczyna się prawie równocześnie z pierwszym stadium, już po upływie kilku (3-5) minut od zmiesza­nia półhydratu z wodą. Jest to właściwy proces wiązania spoiwa, któ­ry kończy się nie później niż po kilkudziesięciu minutach (15-60).

3. Stadium krystalizacji - jeszcze przed zakończeniem stadium ko­loidyzacji rozpoczyna się krystalizacja dwuwodnego siarczanu wapnio­wego z postaci koloidalnej. Proces ten - twardnienie spoiwa - prze­biega w czasie o wiele dłuższym niż wiązanie. Zgodnie z ogólnymi prawidłowościami możemy wyróżnić etap tworzenia się trójwymiarowych zarodków krystalizacji i etap liniowego wzrostu kryształów. Stykając się między sobą, kryształy wytwarzają sztywny szkielet całej struk­tury. Drobnokrystaliczny gips, podobnie jak drobne kryształki jakie­gokolwiek związku, nie jest trwały. Termodynamicznie trwalszy stan uzyskuje on po przejściu w grubokrystaliczne skupienia, z czym wią­że się zmniejszenie energii powierzchniowej układu. Rozbudowujące się kryształy zrastają się, następuje dalsze twardnienie i wzrost wytrzymałości materiału. Równocześnie odparowuje nadmiar wody, co także przyczynia się do zwiększenia wytrzymałości.

Szybkie wiązanie spoiw gipsowych w niektórych przypadkach stano­wi ich wadę, a w innych - zaletę. Dlatego też celowe jest często regulowanie czasu wiązania spoiwa przez wprowadzenie odpowiednich dodatków - przyspieszających lub opóźniających proces. Skrócenie czasu wiązania można osiągnąć przez dodatek soli dysocjujących

w roztworze na jony Ca²⁺ lub SO₄^2-. Zwiększa się wówczas jeden z czynników iloczynu rozpuszczalności gipsu, co powoduje konieczność wydzielania się z roztworu dodatkowych ilości tego związku. Ułat­wione jest więc zarówno powstawanie zarodków krystalizacji jak i narastanie kryształów. Wiązanie spoiw gipsowych zachodzi kilkakrot­nie szybciej także w obecności soli kwasu solnego i azotowego. Jest oczywiste, że wprowadzenie gotowych ośrodków krystalizacji przyspie­sza proces wiązania i twardnienia, dlatego też stosuje się w tym ce­lu dodawanie do spoiwa zmielonego kamienia gipsowego, kalcytu i in­nych stałych substancji. Wyjaśnia to także przyspieszające działanie drobnych wypełniaczy na proces twardnienia materiałów wiążących.

Znany jest także cały szereg metod prowadzących do przedłużenia czasu wiązania i opóźnienia początku wiązania nawet do 60 minut. Działanie odpowiednio do tego celu dobranych substancji może polegać na zmniejszeniu rozpuszczalności półhydratu wapniowego lub zmniej­szeniu szybkości jego rozpuszczania. Na przykład zwiększenie lepkoś­ci roztworu przez dodatek gliceryny, dekstryny itp. substancji powo­duje obniżenie współczynnika dyfuzji. a więc zgodnie z prawem Ficka, zmniejszenie szybkości procesów dyfuzyjnych. limitujących pierwsze stadium procesu wiązania. Opóźnienie czasu wiązania może być wywoła­ne dodatkiem żelatyny czy krochmalu które to substancje tworzą na powierzchni siarczanu gipsu ochronną warstewkę koloidalną, utrudnia­jącą wzrost kryształów. Hamowanie krystalizacji gipsu można także osiągnąć przez dodatek soli kwasu fosforowego. Na zarodkach kryształów gipsu wydziela się wówczas fosforan wapniowy, który utrudnia dal­szą rozbudowę kryształów.

Wiązanie i twardnienie spoiw anhydrytowych. Spoiwa anhydrytowe, a w szczególności cement anhydrytowy zawierają jako podstawowy składnik anhydryt II oraz anhydryt III. Bezwodny siarczan wapniowy nie wykazuje własności wiążących, w związku z czym konieczne jest stosowanie odpowiednich dodatków aktywizujących - katalizatorów. W ostatecznym efekcie pro­cesów wiązania i twardnienia powstaje dwuwodny siarczan wapniowy, ogólne równanie procesów przedstawia się więc następująco

CaSO₄ + 2H₂O CaSO₂ ∙ 2H₂O

Kierunek i szybkość tej reakcji zależy od temperatury oraz składu jakościowego i ilościowego roztworu. Wiązanie i twardnienie spoiw anhydrytowych przebiega drogą kolejnych etapów:

1. Stadium przygotowawcze - anhydryt ulega rozpuszczeniu i two­rzy nasycony roztwór siarczanu wapniowego. Proces ten przebiega po­woli, gdyż siły wiązania w sieci anhydrytu są znaczne. Produkt roz­puszczania gromadzi się początkowo w warstewce wody przy powierzch­ni ziarn anhydrytu, a następnie dyfunduje w głąb roztworu. Rozpusz­czalność anhydrytu jest o wiele większa od rozpuszczalności gipsu w zakresie temp. do 315K, w związku z czym w temp. niższych od 315 K nasycony roztwór CaSO₄ jest przesycony w stosunku do dwuwodnego siarczanu wapniowego. Przebiega więc reakcja hydrata­cji CaSO₄. Zakres temperatur, w których następuje uwodnienie siar­czanu wapniowego, ulega zmianom w zależności od obecności obcych so­li w roztworze. Na przykład w nasyconym wodnym roztworze chlorku so­dowego czy soli kwasu siarkowego górna granica temperatur przemiany obniża się o kilka stopni.

2. Stadium koloidyzacji -z przesyconego roztworu dwuwodnego siar­czanu wapniowego wytrąca się koloidowy osad. Okres wiązania trwa do kilkunastu, a nawet trzydziestu godzin.

3. Stadium krystalizacji - dwuwodny siarczan wapniowy ulega w przesyconym roztworze przemianie w fazę stałą. Krystalizacja gipsu przebiega w dwóch kolejnych etapach - początkowo tworzą się zarodki krystalizacji, które następnie narastają liniowo. Kryształy CaSO₄ · 2H₂O przeplatają się wzajemnie, narastają na kryształach nieroz­puszczonego anhydrytu i spajają je, dając masę o dużej wytrzymałoś­ci. Należy podkreślić, że o ile uwodnienie półhydratu w spoiwach gipsowych jest całkowite, o tyle anhydryt zostaje uwodniony tylko częściowo, co jest właśnie przyczyną znacznie większej wytrzymałoś­ci spoiwa. Równocześnie ma to jednak ujemną stronę - jeśli w wyniku dopływu wilgoci może nastąpić w stwardniałym tworzywie dalsze uwad­nianie anhydrytu, powoduje ono wzrost objętości, pękanie i kruszenie materiału.

Katalizatory powodujące wiązanie i twardnienie spoiw anhydrytowych można podzielić na trzy podstawowe grupy:

a) Związki zasadowe, które w roztworze dysocjują z wytworzeniem jonów wodorotlenowych. Zalicza się tu wapno palone i hydratyzowane, cement portlandzki, żużle hutnicze wielkopiecowe.

b) Siarczany wapniowców, alkalidów i metali ciężkich, tworzące po rozpuszczeniu w wodzie, roztwory obojętne lub słabo kwaśne. Dzia­łanie tych substancji jest związane z wytworzeniem jonów wapnia lub jonów siarczanowych, zwiększających przesycenie roztworu lub z tworzeniem się nietrwałych soli podwójnych które rozpadają się z wy­dzieleniem CaSO₄•2H₂O.

c) Elektrolity, tworzące w roztworze wodnym jony H₃O⁺. Skutecz­ność działania zależna jest od rodzaju i ilości dodanego kataliza­tora. Przy aktywizacji siarczanowej dodaje się około 1 % aktywatora, dodatek żużla wynosi często do 15%. Na ogół lepsze wyniki osiąga się stosując mieszaninę kilku katalizatorów.

Procesy zachodzące przy wiązaniu i twardnieniu estrichgipsu nie zostały dotychczas całkowicie wyjaśnione. Można jednak sądzić, że zawarty w spoiwie tlenek wapniowy spełnia rolę katalizatora procesu. Pod wpływem wody przechodzi on w wodorotlenek wapniowy. dając środo­wisko alkaliczne, w którym zwiększona jest rozpuszczalność anhydrytu, a równocześnie obniża rozpuszczalność gipsu. Krystalizacja dwuwodnego siarczanu wapniowego powoduje twardnienie spoiwa, zawierającego część nieuwodnionego anhydrytu. Estrichgips należy do spoiw wolno wiążących - koniec wiązania następuje po upływie 30 godz.

Własności spoiw gipsowych i anhydrytowych. Zakres stosowania spoiw i tworzyw gipsowych i anhydrytowych w budownictwie jest bardzo szeroki ze względu na takie ich zalety, jak: niski ciężar objętościowy. niski współczynnik przewodności cieplnej, krótki czas wiązania i twardnie­nia. Równocześnie jednak poważną wadą jest duża nasiąkliwość wodą i spadek wytrzymałości przy zawilgoceniu. Stosunek wytrzymałości two­rzywa w stanie nasycenia wodą (Rm) do wytrzymałości w stanie suchym (Rs) nazywamy współczynnikiem rozmiękania

W=Rm/Rs

Wartość tego współczynnika waha się zwykle w granicach 0,3 do 0,4 w spoiwach gipsowych. Estrichgips w porównaniu z gipsem półwodnym charakteryzuje się większą wodoodpornością. Ma on ponadto tę zaletę. że nie wpływa korodująco na metalowe wkładki elementów zbrojonych. Korzystną cechą estrichgipsu jest także większa jego twardość i od­porność na ścieranie, w związku z czym stosuje się go do wyrobu po­dłóg i elementów prefabrykowanych. Spoiwa anhydrytowe specjalne, otrzymywane przez nasycenie roztworem ałunu lub boraksu wyprażonego gipsu i ponowne wypraże­nie materiału, charakteryzują się wytrzymałością i twardością więk­szą od innych spoiw. gipsowych. Posiadają one powierzchnię błyszczą­cą i gładką, w związku z czym stosowane są do wyrobu ozdób architek­tonicznych.

W celu zabezpieczenia tworzyw gipsowych przed niekorzystnym dzia­łaniem wody stosuje się często powłoki ochronne z parafiny, wosków, farb lub substancji wielkocząsteczkowych.

HYDRATACJA CEMENTU

Zmieszanie cementu z wodą powoduje przebieg złożonych procesów chemicz­nych i fizycznych, w wyniku wzajemnego działania na siebie faz klinkierowych, siarczanu wapnia (gipsu) i cząsteczek wody. Procesy te określa się ogólnie nazwą hydratacji i obejmują one zarówno reakcje hydratacji (uwadniania), jak i hydrolizy.

Poszczególne składniki cementu reagują z wodą z różną szybkością. Najszybciej ulega reakcji glinian trójwapniowy (C₃A), następnie - krzemian trójwapniowy (C₃S).

Uwadnianie krzemianów

Krzemian trójwapniowy (C₃S) oraz krzemian dwuwapniowy (C₂S) ulegają pod wpływem wody reakcjom hydrolizy i hydratacji. W wyniku tych reakcji powstaje uwodniony krzemian wapnia - zwany fazą C-S-H oraz wodorotlenek wapnia:

Alit: 2(3CaO∙SiO₂) + 6H₂O 3CaO∙2SiO₂∙3H₂O + 3Ca(OH)₂

Belit 2(2CaO∙SiO₂) + 4H₂O 3CaO∙2SiO₂∙3H₂O + Ca(OH)₂

Powstałe uwodnione krzemiany wapnia (faza C-S-H) są odpowiedzialne za własności wytrzymałościowe, natomiast wodorotlenek wapnia - za odpowiednie właściwości zasadowe tworzywa cementowego.

Uwadnianie glinianów

Reakcja hydratacji glinianu trójwapniowego przebiega bardzo szybko:

3CaO∙Al₂O₃ + 6H₂O 3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O hydrogarnet

W obecności gipsu reakcja przebiega z utworzeniem siarczanoglinianu trójwap­niowego - etryngitu:

3CaO∙Al₂O₃ + 3(CaSO₄∙2H₂O) + 26H₂O 3CaO∙Al₂O₃∙3CaSO₄∙32H₂O

Powstająca sól- etryngit - nazywana jest solą Candlota. Reakcja ta przebiega aż do momentu wyczerpania znajdującego się w zaczynie gipsu. Dopiero po związaniu całej ilości CaSO₄∙2H₂O - gliniany reagują z wodorotlenkiem wapnia, tworząc uwodniony glinian czterowapniowy:

3CaO∙Al₂O₃ + Ca(OH)₂ + 12H₂O 4CaO∙Al₂O₃∙13H₂O

W przypadku małej zawartości gipsu w zaczynie, reakcja glinianu trójwapniowego przebiega z utworzeniem monosiarczanoglinianu trójwapniowego - monosulfitu:

W początkowym okresie hydratacji wytrzymałość mechaniczną stwardniałego zaczynu zapewnia krystalizujący w postaci długich igieł - etryngit oraz krystali­zujący wodorotlenek wapnia - portlandyt. Utworzona przez te kryształy struktura wypełnia się nowo powstającymi pozostałymi produktami hydratacji. Formowanie się struktury jest procesem długotrwałym i może trwać nawet latami. Praktycznie przyjmuje sit(, że po 28 dniach hydratacji struktura jest już na tyle stabilna, iż określona w tym czasie wytrzymałość mechaniczna jest miarodajna dla oceny właściwości cementu.

Katalizatory

Katalizator jest to substancja, która zmienia szybkość reakcji chemicznej, a po zakończeniu reakcji pozostaje w nie zmienionym stanie. Ta ostatnia okoliczność powoduje, że substancji katalizującej nie uwzględnia się w równaniu stechiometrycznym, podając zawsze tylko symbole i liczbę cząsteczek substratów i produktów końcowych reakcji. Zjawisko zmiany szybkości reakcji chemicznej przez katalizatory nazywamy katalizą. Substancje, które przyspieszają reakcję chemiczną nazywamy katalizatorami, natomiast substancje, które opóźniają reakcje chemiczne inhibitorami. Zasadniczo rozróżniamy dwa rodzaje katalizy: katalizę w układach jednorodnych (homogeniczną) i katalizę w układach niejednorodnych (heterogeniczną). Stosunkowo prosto można wytłumaczyć zjawisko katalizy przebiegającej w układach jednorodnych, a więc w fazie gazowej lub w roztworach. W tym przypadku zjawisko katalizy można wytłumaczyć w następujący sposób: substancja A reaguje z substancją B dając w wyniku produkt AB, przy czym reakcja ta przebiega powoli:

A + B = AB powoli

Reakcję tę można przyspieszyć przez zastosowanie katalizatora K, substancji nie biorącej udziału w reakcji, ale w rzeczywistości tworzącej nietrwałe związki pośrednie z substancjami

A + K = AK szybko

AK + B = AB + K szybko

A + B = AB szybko

W katalizie jednorodnej istotną rolę odgrywają więc reakcje pośrednie, w których bierze udział katalizator. Czynnikiem decydującym o szybkości reakcji jest obniżenie jej energii aktywacji. Obecność katalizatora może również istotnie wpłynąć na sposób przebiegu reakcji łańcuchowych inicjując nowe łańcuchy. W przypadku kataliz w układach niejednorodnych (heterogenicznych) przebieg zjawiska jest bardziej skomplikowany. Przez katalizę niejednorodną rozumie się taką katalizę, w której katalizator znajduje się w innej fazie (najczęściej stałej) niż układ reagujący. Wtedy katalizator określa się mianem kontaktu. Katalizatory niejednorodne, czyli kontakty, działają swą powierzchnią, a raczej aktywnymi miejscami swej powierzchni. W wielu przypadkach i tu zachodzi powstawanie pośrednich powierzchniowych związków, duże znaczenie jednak przypisuje się zjawisku tzw. adsorpcji chemicznej, która w porównaniu z adsorpcją fizyczną ma pewne cechy upodobniające ją do reakcji chemicznej. Ze względu na swoje działanie powierzchniowe, kontakty powinny mieć możliwie silnie rozwiniętą powierzchnię, tak jak np. czerń platynowa. Dlatego też wiele substancji koloidalnych, których powierzchnia jest szczególnie duża, ma silne działanie katalityczne. W wielu przypadkach aktywność katalizatora w układach niejednorodnych podwyższa się, jeśli stanowi on mieszaninę dwu lub więcej substancji, które pojedynczo wzięte są mało aktywne (kontakty mieszane). Analogicznie działa obecność niewielkich ilości obcych substancji, które też mogą nadawać kierunek reakcji, jeżeli w przypadku danych substancji możliwe jest kilka kierunków.

Katalizatory dzielimy na fizyczne, chemiczne i biochemiczne.

Katalizatorami fizycznymi nazywamy ciała porowate, wykazujące silne własności adsorpcyjne. Zaadsorbowane reagenty ulegają zagęszczeniu na powierzchni katalizatora i dlatego reakcja zachodzi łatwiej.

Katalizatory chemiczne są to substancje tworzące z substratami reakcji nietrwale związki pośrednie, które samorzutnie się rozkładają, odtwarzając początkowy katalizator i powstają produkty syntezy.

Katalizatorami biochemicznymi są enzymy.

Mechanizm działania katalizatorów jest bardzo skomplikowany i różny w przypadku różnych kontaktów.

Katalizatory stosowane w procesie wiązania gipsu

W zależności od sposobu prowadzenia wypału można otrzymać odmiany krystaliczne siarczanu wapniowego półwodnego, różniące się cechami technicznymi. Ogólnie proces wiązania gipsu półwodnego zachodzi w wyniku następujących kolejnych przemian:

- rozpuszczanie w wodzie (etap I),

- przyłączanie cząsteczek wody (etap II),

- krystalizacji znacznie trudniej rozpuszczalnego gipsu dwuwodnego z przesyconego roztworu (etap III).

Mamy tu więc do czynienia z procesem złożonym, na którego szybkość można wpływać przez oddziaływanie na poszczególne jego etapy. Proces ten można przyspieszyć lub opóźnić przez zastosowanie katalizatorów. Przyspieszenie wiązania można uzyskać przez:

a) zwiększenie rozpuszczalności półwodnego siarczanu wapniowego (przyspieszenie etapu I). Można to osiągnąć stosując dodatek chlorków, np. chlorku sodowego NaCl.

b) zmniejszenie rozpuszczalności siarczanu dwuwodnego w porównaniu z półwodnym (przyspieszenie etapu II) przez wprowadzenie do roztworu jonów wspólnych z jonami substancji rozpuszczonej Ca⁺² lub SO₄^-2. Efekt wspólnego jonu powoduje przesunięcie równowagi procesu dysocjacji w kierunku fazy stałej. Efekt ten jest większy dla substancji o mniejszym iloczynie rozpuszczalności, a więc w danym przypadku dla CaSO₄ ∙ 2H₂O.

c) przyspieszenie krystalizacji (etap III) przez wprowadzenie zarodków fazy krystalicznej uwodnionego siarczanu wapniowego.

Opóźnienie procesu można wywołać przez:

- zmianę stosunku rozpuszczalności półhydratu i dwuhydratu w kierunku zbliżenie rozpuszczalności pół- i dwuhydratu,

- opóźnienie wzrostu zarodków nowej fazy krystalicznej drogą adsorpcji domieszek bądź tworzenia powłok na powierzchni soli krystalizującej.

W praktyce budowlanej stosuje się przede wszystkim dodatki opóźniające wiązanie gipsu w celu przedłużenia czasu, w którym gips jest urabialny.

Jako inhibitory stosowane są: - kwas cytrynowy i jego sole, - sole kwasu fosforowego, - niektóre koloidy, np. klej, kazeina, ługi posulfonowe i roztwory keratyny.

---