Гидравлические вяжущие

Гидравлические известьсодержащие вяжущие

Известь имеет низкую водостойкость. Для устранения этого недостатка к извести стали добавлять вулканический пепел. Впервые это произошло еще в Древнем Риме. В результате этого смесь отвердевала на воздухе в течение 7–14 дней, при этом твердость и прочность гипсового камня усиливалась во влажных условиях. Так было получено первое гидравлическое вяжущее. Добавки из вулканических пород (пепла, туфа и т. п.) впоследствии получили название «гидравлические» или «пуццолановые» (по названию местечка у подножия Везувия, где они добывались). Римские постройки (мосты, акведуки, бани-термы) на таких смешанных вяжущих сохранились до наших дней.

В Древней Руси проблема придания извести водостойкости была решена введением в качестве гидравлической добавки молотого кирпича.

Механизм твердения таких вяжущих, как уже было ранее описано для случая гидравлической извести, заключается в образовании из смеси извести, активных кремнезема и глинозема (пепла, молотого кирпича) и воды водонерастворимых гидро-алюмосиликатов кальция.

Тот же самый эффект можно достичь введением 6–20 % глины при обжиге известняков. Современные известьсодержащие вяжущие гидравлического твердения включают в себя смешанные вяжущие и строительную гидравлическую известь.

Смешанные вяжущие в зависимости от состава делятся на:

• известково-пуццолановые, получаемые при совместном измельчении извести (10–30 %) с гидравлической добавкой активного кремнезема (пепла, пемзы и др. (70–85 %)) и гипса (до 5 %);
• известково-шлаковые. В этом случае добавкой служат доменный гранулированный шлак. Такие смешанные вяжущие применяют при приготовлении растворов для кладки подземных частей зданий и бетонов, предел прочности при сжатии не превышает 20 МПа (200 кг/см²).

Состав строительной гидравлической извести: продукты обжига мергелистых известняков (содержание глины 8–20 %), свободные оксиды кальция и магния 50–60 % и низкоосновные силикаты и алюминаты кальция, придающие извести гидравлические свойства. Предел прочности при сжатии затвердевшей гидравлической извести – 2–5 МПа, поэтому ее применяют для низкомарочных растворов и бетонов.

Портландцемент

Нужно сказать, что гидравлическая известь обладает рядом недостатков, такими как:

• необходимость твердения на воздухе первые 7–14 суток;
• низкая прочность;
• низкая морозо– и воздухостойкость.

Поэтому велись поиски более совершенного вяжущего вещества. Практически одновременно (1824–1825 гг.) независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии (г. Портленд) путем высокотемпературного (1500 °C) обжига до спекания смеси известняков и глины получили вяжущее, обладающее большой водостойкостью и прочностью.

Портландцемент является гидравлическим вяжущим, которое получается тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5–3 %), используемого для отбелки и замедления (регулирования) сроков схватывания. Цементы изготавливают из природного мергеля осадочной горной породы (из алита, белита, алюмоферрита и др.), имеющего определенный химический состав, или смеси известняка и глины.

Не только состав клинкера, но в особенности тонкость помола определяют основные свойства цемента, связанные с особенностью физико-химического механизма твердения.

Промышленность выпускает портландцемент четырех марок: 400, 500, 550 и 600 (число соответствует округленной в сторону уменьшения средней прочности образцов при сжатии, выраженной в кгс/см²).

Процесс схватывания и твердения портландцемента можно рассматривать как следствие процессов структурообразования, развивающихся в системе «цемент – вода», в результате гидратации клинкерных минералов и участия образующихся гидратных фаз в формировании прочного гелекристаллического конгломерата – цементного камня.

Постепенно пластичное цементное тесто теряет свою подвижность, загустевает и уплотняется. Начало этого периода (схватывания) начинается через 1–1,5 ч, а конец – через 4–10 ч. Затем наступает второй этап твердения с образованием цементного камня заданной прочности. Особенностью цемента является низкая скорость набора прочности. Однако в благоприятных условиях прочность изделия медленно увеличивается и превосходит заявленную марочную. Причиной этого явления служат следующие параметры и процессы:

• размер зерен клинкера. Из-за низкой растворимости гидратов на поверхности зерен образуется корочка, затрудняющая проникновение воды к сухому клинкеру и прекращающая процессы массообмена в объеме цементного сростка. Непрореагировавшие частицы клинкера (до 40 %) образуют рыхлую структуру, которая и составляет запас прироста прочности. Поэтому чем более тонко помолот цемент, тем большая его доля прогидратируется и тем выше будет марочная прочность через 28 суток;
• количество воды для затворения. Обычно воды добавляют столько, чтобы получить вязкое и пластичное цементное тесто, которое хорошо укладывается в форму и обладает свойством легко разжижаться при механическом воздействии, а после снятия такого воздействия переходить в вязкопластичное состояние. Это достигается подбором правильного соотношения заполнителей, связующих и специальных добавок. Однако для протекания процессов гидратации полностью требуется лишь 22 % воды затворения, остальная вода (40 % от массы цемента) расходуется на смачиваемость частичек клинкера и увеличение подвижности и удобоукладываемости цементного теста. Избыток химически не связанной воды создает в затвердевшем цементном камне систему пор и капилляров, что повышает пористость (до 50 % по объему), снижает морозостойкость и прочность. Теоретический предел прочности цементного камня при сжатии составляет 240–340 МПа, а практически достигнуты величины 280–320 МПа.

Портландцемент, будучи гидравлическим вяжущим, при нахождении в воде твердеет, набирая все большую прочность. Однако если вода начинает фильтроваться (просачиваться) сквозь цементный камень, то возможно его разрушение в результате физической коррозии. Коррозия протекает тем интенсивней, чем выше капиллярная пористость цементного камня. Главной причиной коррозии (выщелачивания) является не прореагировавшая с силикатами часть (до 15 %) извести – Ca (OН) 2. Гидроокись кальция заметно растворима в воде (около 2 г/л), поэтому при фильтрации воды возможно ее вымывание на поверхность с появлением белесых выцветов.