Твердение известково-песчаных смесей при повышенных температурах
Если при невысоких температурах взаимодействием извести и кварцевого песка можно пренебречь, то при повышенной температуре 174,5-190,8°С и при повышенном давлении водяного пара 0,9-1,3 МПа реакционная способность кварца существенно возрастает. Становится возможным активное взаимодействие SiO2 и извести в результате которого образуются гидросиликаты кальция, играющие роль цементирующего вещества. При этом прочность камня обеспечивается не физическим сцеплением гидратных новообразований вяжущего с зёрнами заполнителя, а химическим взаимодействием компонентов сырьевой смеси (извести и кварцевого песка), протекающим по реакции: хСa(ОН)2 + SiO2 + nH2O -> xCaO SiO2 nH2O
Состав образующихся гидросиликатов кальция зависит, прежде всего, от исходного соотношения извести и кремнезёма в смеси, от дисперсности кварцевого песка, от температуры и продолжительности тепловлажностной (гидротермальной) обработки. Стремятся добиться такого состава гидросиликатной связки, который обеспечивает максимальную прочность материала. Состав гидросиликатов можно оценить по их основности, т:е. мольному отношению CaO/SiО2, которое на практике может меняться от 2 до 0,8. В начальный период обработки, когда в системе еще присутствует свободная известь, преимущественно образуется двухкальциевый гидросиликат 2CaO-SiO2 H2O (сокращенная запись - С2SH(A)). По мере гидротермальной обработки основность новообразований постепенно снижается, и образуются волокнистые тоберморитоподобные гидросиликаты серии CSH(B) с основностью, близкой к единице. Волокнистые низкоосновные гидросиликаты дают более высокопрочный сросток, чем кристаллы C2SH(A). Однако присутствие в изделиях двухосновных гидросиликатов кальция в оптимальных количествах также необходимо.
С ростом продолжительности запаривания за счёт понижения основности уже закристаллизовавшихся гидросиликатов образуется дополнительное количество низкоосновных соединений. В результате увеличения общего количества цементирующего вещества, а также более полной кристаллизации стабилизировавшегося гидросиликата кальция прочность автоклавных материалов повышается.
Такой механизм твердения извести в гидротермальных условиях в смеси с кварцевым песком, а также шлаками, золами и другими кремнезёмистыми или алюмосиликатами добавками послужил основой для создания нового класса материалов, получивших широкое распространение, а именно, силикатных бетонов и силикатного кирпича.
Содержание извести в силикатной смеси устанавливают в зависимости от её активности и дисперсности, а также от количества молотых кремнезёмистых добавок и их природы. Обычно оно составляет 8-18%. С повышением содержания в смеси извести плотность и прочность силикатного бетона повышается, но лишь до определённого предела. При избытке извести часть её после автоклавной обработки остаётся в несвязанном состоянии, и качество бетона падает. Чем выше степень уплотнения силикатной смеси, тем меньше расход извести. Так, в силикатном кирпиче, уплотняемом прессованием, расход извести составляет от 5 до 8% от массы смеси.
Кварц более прочен, чем гидросиликаты кальция, связывающие песчинки, поэтому увеличение доли новообразований за счёт снижения доли кристаллического кварца снижает прочность и долговечность камня. Цементирующее вещество необходимо лишь в таком количестве, которое позволило бы покрыть все песчинки тонким слоем гидросиликатной связки, заполнить пустоты, а также все углубления и трещины на поверхности песчинок. Для получения смеси заполнителя с наименьшей пустотностью рекомендуется использовать полифракционные по гранулометрии пески.