Известь — неорганический материал, состоящий в основном из оксидов и гидроксидов кальция . Это также название оксида кальция, который встречается как продукт пожаров угольных пластов и в измененных известняковых ксенолитах в вулканических выбросах. [1] Международная минералогическая ассоциация признает известь минералом с химической формулой CaO. [2] Слово «известь» берет свое начало с самого раннего использования в качестве строительного раствора и имеет значение « прилипать» или «сцепляться» . [3]
Эти материалы по-прежнему используются в больших количествах в качестве строительных и инженерных материалов (включая известняковые изделия, цемент , бетон и раствор ), в качестве химического сырья, для переработки сахара и других целей. Известковая промышленность и использование многих из полученных продуктов восходят к доисторическим временам как в Старом, так и в Новом Свете. [ требуется ссылка ] Известь широко используется для очистки сточных вод с помощью сульфата железа .
Породы и минералы, из которых получены эти материалы, обычно известняк или мел , в основном состоят из карбоната кальция . Их можно резать, дробить или измельчать и химически изменять. Обжиг ( кальцинация ) карбоната кальция в известковой печи при температуре выше 900 °C (1650 °F) [4] превращает его в высококаустический материал — жженую известь , негашеную известь или негашеную известь ( оксид кальция ) и, посредством последующего добавления воды, в менее едкую (но все еще сильнощелочную ) гашеную известь или гидратированную известь ( гидроксид кальция , Ca(OH) 2 ), процесс которого называется гашением извести .
Когда этот термин встречается в сельскохозяйственном контексте, он обычно относится к сельскохозяйственной извести , которая сегодня обычно представляет собой дробленый известняк, а не продукт известковой печи. В противном случае он чаще всего означает гашеную известь , поскольку более опасная форма обычно описывается более конкретно как негашеная известь или жженая известь .
В известковой промышленности известняк — это общий термин для горных пород, которые содержат 80% или более карбоната кальция или магния , включая мрамор , мел , оолит и мергель . Дальнейшая классификация осуществляется по составу как высококальциевые, глинистые , кремнистые , конгломератовые , магнезиальные , доломитовые и другие известняки . [5] Редкие источники извести включают кораллы, морские раковины, кальцит и анкерит .
Известняк добывают из карьеров или шахт . Часть добытого камня, отобранного по химическому составу и оптической гранулометрии , обжигают при температуре около 900 °C (1650 °F) в известковых печах для получения негашеной извести по реакции: [6]
Перед использованием негашеную известь гидратируют , то есть соединяют с водой, что называется гашением, поэтому гашеную известь также называют гашеной известью, и получают по реакции:
Сухое гашение — это гашение негашеной извести только достаточным количеством воды, чтобы гидратировать негашеную известь, но сохранить ее в виде порошка; это называется гашеной известью. При мокром гашении добавляется небольшой избыток воды, чтобы гидратировать негашеную известь до формы, называемой известковым тестом.
Поскольку известь имеет адгезионные свойства с кирпичами и камнями, ее часто используют в качестве связующего раствора в кладочных работах. Ее также используют в побелке в качестве покрытия для стен, чтобы побелка могла прилипнуть к стене.
Процесс, при котором известняк (карбонат кальция) превращается в негашеную известь путем нагревания, затем в гашеную известь путем гидратации и естественным образом возвращается в карбонат кальция путем карбонизации, называется известковым циклом . [7] Условия и соединения, присутствующие на каждом этапе известкового цикла, оказывают сильное влияние на конечный продукт, [8] таким образом, сложную и разнообразную физическую природу известковых продуктов.
Примером может служить смешивание гашеной извести (гидроксида кальция) с песком и водой в густую кашицу для получения строительного раствора . Когда кладка выполнена, гашеная известь в растворе медленно начинает реагировать с углекислым газом, образуя карбонат кальция (известняк) по следующей реакции:
Углекислый газ, который участвует в этой реакции, в основном содержится в воздухе или растворен в дождевой воде [9], поэтому чистый известковый раствор не будет рекарбонизироваться под водой или внутри толстой каменной стены.
Известковый цикл для доломитовой и магниевой извести не очень хорошо изучен [8] , но более сложен, поскольку соединения магния также гасятся до периклаза , который гасится медленнее, чем оксид кальция, и при гидратации производит несколько других соединений. Таким образом, эти извести содержат включения портландита , брусита , магнезита и других соединений гидроксикарбоната магния. Эти соединения магния имеют очень ограниченные, противоречивые исследования, которые ставят под сомнение, могут ли они «... быть значительно реактивными с кислотными дождями, что может привести к образованию солей сульфата магния». [10] Соли сульфата магния могут повредить раствор, когда они высыхают и перекристаллизовываются из-за расширения кристаллов по мере их образования, что известно как сульфатная атака .
Известь, используемая в строительных материалах, в целом классифицируется как «чистая», «гидравлическая» и «бедная» известь; [11] может быть натуральной или искусственной ; и может быть дополнительно идентифицирована по содержанию магния, например, доломитовая или магниевая известь. Применение включает известковый раствор , известковую штукатурку , известково -зольные полы , табби-бетон , побелку , силикатную минеральную краску и известняковые блоки , которые могут быть многих типов . Качества многих типов обработанной извести влияют на то, как они используются. Римляне использовали два типа известкового раствора для изготовления римского бетона , что позволило им произвести революцию в архитектуре, иногда называемую Бетонной революцией .
Известь обладает многими сложными качествами как строительный продукт, включая обрабатываемость, которая включает сцепление, адгезию, содержание воздуха, содержание воды, форму кристаллов, срок службы плиты, растекаемость и текучесть; прочность связи; всестороннюю прочность; время схватывания; способность переносить песок; гидравлическость; содержание свободной извести; паропроницаемость; гибкость; и устойчивость к сульфатам. На эти качества влияют многие факторы на каждом этапе производства и установки, включая исходные ингредиенты источника извести; добавленные ингредиенты до и во время обжига, включая включение соединений из выхлопных газов топлива; температура и продолжительность обжига; метод гашения, включая горячую смесь (негашеная известь добавляется к песку и воде для приготовления раствора), сухое гашение и мокрое гашение; соотношение смеси с заполнителями и водой; размеры и типы заполнителей; загрязняющие вещества в воде для смешивания; качество работы; и скорость высыхания во время отверждения. [12]
Чистая известь также известна как богатая, обычная, воздушная, гашеная, шлаковая, травильная, гидратированная и высококальциевая известь. Она состоит в основном из гидроксида кальция, который получается путем гашения негашеной извести (оксида кальция), и может содержать до 5% других ингредиентов. Чистая известь схватывается очень медленно при контакте с углекислым газом в воздухе и влаге; это не гидравлическая известь, поэтому она не схватывается под водой. Чистая известь чистого белого цвета и может использоваться для побелки, штукатурки и раствора. Чистая известь растворяется в воде, содержащей угольную кислоту , природную слабую кислоту, которая представляет собой раствор углекислого газа в воде и кислотных дождях , поэтому она будет медленно смываться, но эта характеристика также производит аутогенный или самовосстанавливающийся процесс, когда растворенная известь может течь в трещины в материале и повторно откладываться, автоматически ремонтируя трещину.
Полугидравлическая известь, также называемая частично гидравлической и серой известью, изначально схватывается с водой, а затем продолжает схватываться с воздухом. Эта известь похожа на гидравлическую известь, но содержит меньше растворимого кремнезема (обычно не менее 6%) и алюминатов , и схватывается под водой, но никогда не затвердевает. [13]
Гидравлическая известь также называется водяной известью . Гидравлическая известь содержит известь с кремнеземом или глиноземом и застывает под воздействием воды и может застывать под водой. [14] Натуральная гидравлическая известь (NHL) производится из известняка, который естественным образом содержит немного глины . Искусственная гидравлическая известь производится путем добавления форм кремнезема или глинозема, таких как глина, к известняку во время обжига или путем добавления пуццоланы к чистой извести. [13] Гидравлическая известь классифицируется по своей прочности: слабо , умеренно и в высшей степени гидравлическая известь. Слабо гидравлическая известь содержит 5-10% глины, гасится за минуты и застывает примерно за три недели. Она используется для менее дорогостоящих работ и в мягком климате. Умеренно гидравлическая известь содержит 11-20% глины, гасится за один-два часа и застывает примерно за одну неделю. Она используется для более качественных работ и наружных стен в морозном климате. В высшей степени гидравлическая известь содержит 21-30% глины, гасится очень медленно и застывает примерно за день. Используется в суровых условиях, таких как влажные места и вблизи соленой воды. Гидравлическая известь имеет грязно-белый цвет. «Степень гидравлическости растворов влияет на многие характеристики. Выбирая соответствующее соотношение глины и известняка, растворы, которые карбонизируются или гидравлически схватываются в различной степени, можно проектировать для конкретных требований к применению, таких как время схватывания, прочность, цвет, долговечность, морозостойкость, обрабатываемость, скорость схватывания в присутствии воды, паропроницаемость и т. д.» [14]
Плохая известь также известна как тощая или скудная известь. Плохая известь схватывается и застывает очень медленно и имеет слабую связь. Плохая известь имеет серый цвет.
Магниевая известь содержит более 5% оксида магния (BS 6100) или 5-35% карбоната магния (ASTM C 59-91). [15] Доломитовая известь имеет высокое содержание магния — 35-46% карбоната магния (ASTM C 59-91). [15] Доломитовая известь названа в честь Доломитовых гор в итальянских и австрийских Альпах. [16]
В Соединенных Штатах наиболее часто используемой кладочной известью является гашеная известь типа S, которая предназначена для добавления в портландцемент для улучшения пластичности , водоудержания и других качеств. S в типе S означает специальный, что отличает ее от гашеной извести типа N, где N означает нормальный. Особыми свойствами типа S являются его «...способность развивать высокую раннюю пластичность и более высокую водоудерживающую способность, а также ограничение содержания негидратированных оксидов». [17] Термин тип S возник в 1946 году в ASTM C 207 Гидратированная известь для каменных целей. Известь типа S почти всегда является доломитовой известью, гидратированной под воздействием тепла и давления в автоклаве и используемой в растворе, штукатурке , штукатурке и штукатурке . Известь типа S не считается надежным в качестве чистого связующего вещества в растворе из-за высоких температур обжига во время производства.
Канкарская известь — известь, полученная из канкара, представляющего собой форму карбоната кальция.
Селенитовая известь, также известная как цемент Скотта в честь Генри Янга Дарракота Скотта , представляет собой цемент из серого мела или аналогичной извести, например, из группы Лиас , с добавлением около 5% гипсовой штукатурки (кальцинированного гипса ). [13] Селенит — это разновидность гипса, но селенитовый цемент может быть изготовлен с использованием любой формы сульфата или серной кислоты . [18] Сульфат останавливает гашение, заставляет цемент быстро схватываться и становиться прочнее.
Римляне делали бетон , смешивая известь и вулканический пепел , чтобы создать пуццолановую реакцию . Когда это смешивалось с вулканическим туфом и помещалось под морскую воду, морская вода гидратировала известь в экзотермической реакции, которая затвердевала смесь. [19]
![{\displaystyle {\ce {{\overset {кальций~карбонат}{CaCO3}}->[][{\text{heat}}]{\overset {кальций~оксид}{CaO}}+{\overset {углерод ~диоксид}{CO2}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/98b4a680c52697d99fd2347d9034373411eb983f)
