будівель », в якій описувалося виробництво в'язкої речовини з сировинної суміші вапна і глини. Е.Челіев вважав за необхідне вести випал суміші до часткового розплавлення компонентів при температурі близько 1400 0 С, а також пропонував додавати гіпс до одержуваному цементу для підвищення міцності і атмосфероустойчивости (аналог сучасного портландцементу).
Роком раніше англієць Дж.Аспдін заявив патент на виробництво в'язкої речовини, названого їм портландцементом, так як ця речовина в затверділому вигляді по кольору і міцності схоже на портландский камінь, видобутий поблизу г.Портленда. Портландцемент по Дж.Аспдіну отримували шляхом випалу суміші вапняку з глиною до повного видалення вуглекислоти при температурі близько 900-1000 0 С і подальшого подрібнення обпаленої матеріалу в порошок.
Хоча введене Дж.Аспдіном назву «портландцемент» збереглося до теперішнього часу, отриманий ним цемент не був портландцементом в сучасному розумінні цього слова, а являв собою внаслідок недостатньої температури випалу (нижче температури спікання) різновид романцемент.
Таким чином, Е.Челіев і Дж.Аспдін працювали над вирішенням проблеми отримання стійкого до води (гідравлічного) в'яжучого - цементу практично одночасно, незалежно один від одного. Тому в нашій країні винахідником портландцементу справедливо вважається Е.Челіев, в зарубіжних країнах - Дж.Аспдін.
Великий Д. І. Менделєєв, розглядаючи в книзі «Основи хімії» (1868-1870 р.р.) ряд питань, пов'язаних з хімією силікатів і, зокрема, з хімією цементів, вказував, що «гідравлічні властивості цементів визначаються тим, що в них знаходяться вапняні кремнеземістогліноземние з'єднання, що можуть з'єднатися з водою і утворити гідратів, водою які не змінюються з'єднання ». Це твердження і в даний час має важливе значення для розуміння сутності процесу твердіння в'яжучих речовин. Висловлене Д.И.Менделєєвим положення про існування серед силікатів численних з'єднань змінного
складу і про можливість заміщення в алюмосилікатах глинозему (Аl 2 O 3), кремнезему (SiO 2) підтверджено подальшими численними дослідженнями складу і структури новоутворень цементного каменю.
Поява бетону - штучного кам'яного матеріалу - і особливо залізобетону посилило значення цементу як основного будівельного в'язкої речовини.
В кінці XIX і початку ХХ століття були створені різні вироби на основі інших в'яжучих речовин: вапняно-піщаний (силікатний) цегла, азбестоцементні вироби, шлакобетонові камені і т.д. Для прискорення темпів будівництва потрібні були швидкотверднучі цементи, і вони були створені. У 1908 році було отримано нове в'язке - глиноземистий цемент, що відрізняється швидким наростанням міцності. Через одну добу твердіння цей цемент набирає міцність, рівну приблизно місячної міцності звичайного портландцементу. Для будівництва підземних і гідротехнічних споруд почали застосовувати пуццолановий портландцемент, який представляє собою суміш портландцементу і гідравлічної (пуццоланової) добавки (перші досліди по використанню цього цементу в Росії відносяться до 60-70 років XIX століття). З розвитком металургійного виробництва цементна промисловість отримала можливість використовувати у великих кількостях доменний шлак. Виготовлений з гранульованого доменного шлаку і портландцементного клінкеру шлакопортландцемент є в'язкою речовиною, застосовуваним, в основному, для тих же цілей, що і портландцемент. Поряд зі шлакопортландцементі з'явилися і інші шлакові в'яжучі речовини.
Розвивається будівництво пред'явило ряд нових вимог до в'язких речовин. Так, для виготовлення монолітних залізобетонних конструкцій виявився необхідний особливо швидкотверднучий цемент; для зведення масивних споруд були потрібні цементи з малим тепловиділенням, так як велика кількість теплоти, що виділяється при твердінні звичайного портландцементу, призводить до значних внутрішнім напруженням в цих конструкціях; для бетонних доріг потрібен був цемент, що володіє підвищеною морозостійкістю, малою стираністю і незначною усадкою; для декоративних цілей були необхідні білий і кольорові цементи; для ряду спеціальних споруд треба було застосовувати цемент, що розширюється; для цементації нафтових і газових свердловин - тампонажний цемент і т.д.
Для поліпшення властивостей цементів та виробів з них вчені запропонували вводити невеликі кількості добавок поверхнево-активних речовин. Так з'явилися пластифікований і гідрофобний цементи.
До теперішнього часу розроблені нові різновиди в'яжучих речовин на основі портландцементу. Це так звані багатокомпонентні в'яжучі. До них відносяться ТМЦ - тонкомолотий цемент і ВНВ - в'яжучий низькою водопотребности; їх відмітна
особливість - підвищена дисперсність (S уд. = 400-600 м 2 / кг на відміну від 200-300 м 2 / кг для звичайного портландцементу) і наявність різних наповнювачів. Ці в'яжучі дешевші, відрізняються малою усадкою одержуваного цементного каменю. З'явилися спеціальні цементи - фосфатного твердіння; цементи з добавкою Крент-кристалізаційних компонентів, які активізують кристалізацію новоутворень цементного каменю; цементи на основі сульфоалюмінатних клінкерів, що володіють швидким твердением, високою міцністю і малою усадкову.
Значні досягнення в області розвитку науки про в'яжучих речовинах, і зокрема, хімії цементів, пов'язані з іменами багатьох вітчизняних вчених, перш за все, В.В.Журавлева, В.А.Кінда, Н.А.Торопова, Ю.М.Бутта , В.В.Тімашева, М.М.Сичева, Н. Ф. Федорова, О.П.Мчедлова-Петросяна, А.В.Волженского, Т.В.Кузнецовой, В.Б.Ратінова, А.Ф.Полака , Л.Г.Шпиновой, Л.Б.Сватовской та інших.
Загальна характеристика неорганічних в'яжучих речовин
Основні групи та види в'яжучих речовин
Неорганічні в'яжучі речовини є основою сучасного будівництва. Їх широко використовують для виготовлення бетонів, кладок і штукатурних розчинів, різних виробів і споруд (мости, греблі та ін.). У сучасному житловому будівництві на 1 м 2 житлової площі в середньому витрачається близько 300 кг в'яжучих речовин.
Залежно від складу, основних властивостей і області застосування в'язкі речовини прийнято об'єднувати в групи. Згідно сформованим поглядам до першої групи належать повітряні в'яжучі, які здатні тверднути й тривалий час зберігати свою міцність лише на повітрі. До них відносять гіпсові в'яжучі, основою яких є сірчанокислий кальцій (СаSO 4. nH 2 O); вапняні в'яжучі, що складаються, головним чином, з оксиду кальцію (СаО); магнезіальні в'яжучі, які містять Каустичний магнезит (МgO).
Другу, більш широку групу, складають гідравіческіе в'яжучі речовини, які тверднуть і тривалий час зберігають міцність (або навіть підвищують її) не тільки на повітрі, але і в воді. За своїм хімічним складом гідравлічні в'яжучі речовини - це складні системи, до складу яких входять такі чотири оксиду: СаО, SiO 2. Al 2 O 3. Fe 2 O 3. До них можна віднести наступні три основні види гідравлічних в'яжучих:
1 - силікатні цементи, що складаються переважно (до 75%) з силікатів кальцію, до них відносяться портландцемент і його різновиди;
- 12 - 2 - алюмінатних цементи, в'язкої основою яких є
алюмінати кальцію - це глиноземний цемент і його різновиди; 3 - гідравлічна вапно і романцемент.
В окрему групу виділяють в'яжучі речовини, здатні при автоклавної обробці в середовищі насиченої водяної пари при температурі 175-200 0 С укріпляти з утворенням міцного каменю. Сюди відносять вапняно-кремнеземисті, вапняно-зольні, вапняно-шлакові в'яжучі, сієніт цемент і ін. По суті ці в'яжучі речовини можна віднести до гідравлічних.
Особливе місце займає кислототривкий кварцовий цемент, одержуваний на основі натрієвого або калієвого рідкого скла.
Гіпсові в'яжучі речовини
Гіпсові в'яжучі речовини - це в'яжучі, що складаються, в основному, з напівводного гіпсу СаSO 4. 0,5H 2 O або ангідриту СаSO 4. Сировиною для їх отримання є гірська порода - гіпсовий камінь, що складається переважно з мінералу, званого власне гіпсом або двуводним сірчанокислим кальцієм СаSO 4. 2H 2 O (іноді в якості сировини використовують ангідрит - СаSO 4. відходи промисловості у вигляді фосфогіпсу, борогіпсу). Розрізняють нізкообжіговие гіпсові в'яжучі, які отримують термічною обробкою при низьких температурах (110-190 0 С), і високообжіговие, які отримують шляхом випалу гіпсового каменю при високих температурах (600-900 0 С). До перших відносять будівельний, формувальний і високоміцний гіпс. Зокрема, будівельний гіпс, який знаходить найбільше застосування, є кристали -Модифікація напівводного сульфату кальцію - СаSO 4. 0,5H 2 O; високоміцний гіпс - це-модифікація напівводного сульфату кальцію - СаSO 4. 0,5H 2 O; його міцність може досягати 25 МПа (на відміну від - СаSO 4. 0,5H 2 O. міцність при стисненні якого становить не більше 12 МПа).
Нізкообжіговие гіпсові в'яжучі застосовують для виготовлення елементів стін, перегородок, широко використовують в обробних роботах. Високообжіговие гіпсові в'яжучі складаються переважно з ангідриту СаSO 4. який в процесі випалу піддається часткової термічної дисоціації з утворенням вапна - СаО. що грає роль активізатора твердіння гіпсового в'яжучого при його взаємодії з водою. Водостійкість цього в'яжучого вище в порівнянні з будівельним гіпсом, а міцність становить 10-20 МПа. Його застосовують при влаштуванні безшовних підлог, в розчинах для штукатурки і кладки, для виготовлення декоративних виробів, в тому числі - штучного мармуру.
Повітряна вапно являє собою продукт помірного випалення (при температурі 900-1200 0 С) кальцієвих і кальцієво-магнієвих карбонатних гірських порід: вапняку, крейди та ін. Основною складовою цих порід є карбонат кальцію - СаСО 3. Продукт випалу зазвичай містить крім СаО кілька МgО. утворився в результаті термічної дисоціації карбонату магнію - МgСО 3. який може входити в якості складової частини в вапняк (так званий доломітізірованнийвапняк). Продукт випалу карбонатних порід називають комовой негашеним вапном. Цей продукт виходить у вигляді пористих шматків, здатних активно взаємодіяти з водою (процес називається гасінням). Продукт гасіння Са (ОН) 2 має вигляд дрібних частинок розміром в декілька мікрон. Це обумовлює велику водоутримуючу здатність і пластичність вапняного тесту, що особливо цінується при виготовленні будівельних розчинів, в яких вапно виступає в ролі єднальної і в ролі пластифікатора.
Будівельні розчини на повітряній вапна мають невисоку міцність. Так, вапняні розчини через 28 діб повітряного твердіння мають межу міцності при стисненні: на гашеного вапна - 0,4-1,0 МПа, мелені негашеним - до 5,0 МПа. Велика кількість вапна йде на виготовлення силікатної цегли і силікатних бетонів: пористих, легких, важких. Вапно застосовується також для отримання в'яжучих, використовуваних в бетонах невисоких марок і в будівельних розчинах.
Магнезіальні в'язкі речовини
Магнезіальні в'яжучі речовини - Каустичний магнезит і каустичний доломіт - тонкі порошки, головною складовою частиною яких є оксид магнію - МgО. Вони виходять шляхом помірного випалу (при температурі 750-850 0 С) магнезиту - МgСО 3 або доломіту - СаСО 3. МgСО 3. При замішуванні водою ці в'яжучі твердіють дуже повільно, тому на практиці їх зачиняють водним розчином хлористого магнію - МgСl 2. Продуктом хімічної реакції при цьому є гідрохлорид магнію - 3МgO. MgCl 2. 6H 2 O - високоміцне з'єднання (межа міцності при стисненні досягає 60-100 МПа).
Магнезіальні в'яжучі речовини використовуються, в основному, для виготовлення фібролітових плит, пристрої ксилолітових підлог - монолітних і плиткових.
1.3.5. гідравлічне вапно
У процесі випалу при температурі 900-1100 0 С частина утворюється
СаО залишається у вільному стані, а частина з'єднується з оксидами SiO 2.
Al 2 O 3. Fe 2 O 3. входять до складу глинистих мінералів, з утворенням силікатів (2СаО. SiO 2), алюмінатів (СаО. Al 2 O 3) і феритів (СаО. Fe 2 O 3) кальцію. Ці сполуки надають вапна гідравлічні властивості. Гідравлічну вапно застосовують для приготування водостійких будівельних розчинів, бетонів низьких марок і бетонних каменів.
Романцемент - гідравлічне в'язка речовина, що отримується випаленням не до спікання (в межах 800-1100 0 С) вапнякових або магнезіальних мергелів, що містять в своєму складі більше 20% глини. В
сучасних технологіях він практично відсутній, так як з того ж сировини набагато ефективніше проводити портландцемент.
1.3.8. глиноземистий цемент
Глиноземистий цемент - гідравлічне в'язка речовина, що відрізняється високою міцністю і швидким твердением. для ви-
1.3.9. Розширюються і безусадочние цементи
Ці види цементів належать до змішаних в'яжучих. Склад цих в'яжучих вибирається таким чином, щоб поряд з процесами твердіння можна було регулювати швидкість освіти і кількість головного розширюється компонента - кристалів трехсульфатной форми гідросульфоалюміната кальцію - 3СаО. Al 2 O 3. 3CaSO 4. 32H 2 O.
До числа розширюються відносяться напружує цемент, що складається з 65-75% портландцементу, 12-20% глиноземистого цементу і 5-10% гіпсу, який, будучи зачинених водою, спочатку твердне і набирає міцність. Ефект розширення повністю компенсує усадку і напружує арматуру в залізобетоні. Самонапружених залізобетон застосовують в напірних трубах, в монолітних і збірних резервуарах для води.
1.3.10. Кислототривкий кварцовий цемент
Цей вид цементу має головне достоїнство, яке принципово відрізняє його від інших мінеральних в'яжучих речовин - це здатність чинити опір дії більшості неорганічних і органічних кислот, причому з підвищенням концентрації кислоти його стійкість зростає. Це пояснюється складом цементу, що представляє собою тонкоизмельченную суміш кварцового піску, кремнефтористого натрію, зачиняють водним розчином силікату натрію або калію (рідким склом). Ця суміш здатна в результаті фізико-хімічних процесів між розчинною склом і кремнеземистим натрієм поступово тверднуть і перетворюватися в досить міцний (30-40 МПа) камінь.
Кислототривкий цемент застосовують в конструкціях, що піддаються впливу кислих середовищ, особливо в хімічній промисловості. Однак навіть в слабощелочной середовищі застосування цього цементу виключається.
Висновок до першого розділу
Наведені в цьому розділі численні визначення в'яжучих речовин ні в якій мірі не суперечать один одному, але кожне з них в чомусь доповнює попередню ухвалу, розкриває нові сторони розглянутого унікального явища - тверднути.
Наведена історична довідка висвічує основні моменти еволюції в'яжучих речовин до сьогоднішнього дня, розкриває перспективи подальшого вдосконалення науки про в'яжучих речовинах, технології їх отримання і застосування.
Короткий огляд по складам і властивостям в'яжучих речовин будівельного призначення слід розглядати як «вихідну позицію» для їх подальшого глибокого вивчення.
2. В'ЯЖУЧІ ВЕЩЕСТВА БУДІВЕЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ ЯК СКЛАДОВА ЧАСТИНА ЗАГАЛЬНОЇ СИСТЕМИ самоотвердевающей КОМПОЗИЦІЙ
Вище, в розділі 1, представлені в'яжучі речовини суто будівельного призначення. Саме вони є предметом нашого вивчення. Але методологічно було б неправильним трактувати складні питання в напрямку створення тверднуть структур лише на прикладах цих в'яжучих, не розглянувши весь сучасний спектр матеріалів, здатних до самоотвердеванію. Це дуже важливо, тому що навіть сьогодні у деяких початківців фахівців існує думка, що весь круг в'яжучих речовин закінчується тим переліком, який ми вже розглянули. Тим часом цементи в широкому розумінні цього слова використовуються в багатьох галузях науки і техніки, а номенклатура їх дуже велика. Тому можна говорити про систему композиційних матеріалів, здатних до самоотвердеванію. В'язкі речовини будівельного призначення займають в цій системі певне місце і, щоб глибше їх пізнати, доцільно хоча б в загальних рисах розглянути всю (в межах сьогоднішніх знань) систему. Це зручно виконати, виділивши певні класифікаційні ознаки, властиві окремим групам в'яжучих речовин.
Загальновідома в будівельному матеріалознавстві розподіл в'яжучих речовин по їх відношенню до води на в'яжучі повітряного і гідравлічного твердіння не може бути визнано достатнім, оскільки не відображає глибинну сутність цих в'яжучих, що не висвічує ознаки, їх об'єднують або роз'єднують. Тому розглянемо інші пропозиції по класифікації в'яжучих.
Одна з класифікацій, в основу якої покладено причини твердіння в'яжучих речовин, запропонована М.М.Сичевим. Він розділив в'яжучі речовини на три групи: 1 - тверднуть на основі хімічних реакцій взаємодії; 2 - тверднуть в результаті протікання фізико-хімічних процесів; 3 - тверднуть внаслідок фізичних явищ, наприклад, за рахунок випаровування рідини замішування.
Приблизно за таким же принципом розділені в'яжучі речовини в класифікації, запропонованої А.А.Пащенко (таблиця 1), що отримала в подальшому різні додаткові трактування вчених-матеріалознавців.
В основу цієї класифікації покладено головний для практичного застосування критерій - особливість фізико-хімічних процесів