Вяжущие материалы
Вяжущие материалы при затворении водой образуют пластичное тесто, которое постепенно твердеет, превращаясь в искусственный камень. Те вяжущие, которые твердеют только на воздухе, называются воздушными. Вяжущие, начинающие твердеть на воздухе и продолжающие твердеть и набирать прочность в воде, называются гидравлическими. Вяжущие используют для приготовления растворов и бетонов.
Известь является древнейшим вяжущим веществом, которое применяли за несколько тысяч лет до н.э. По берегам Дуная найдены остатки поселений, возведенных около 7 тыс. лет тому назад из смеси песка, гравия и извести. Древние египтяне, греки, римляне 2 тыс. лет назад широко использовали в своих сооружениях материалы на основе извести.
Известь и раньше и теперь получают путем обжига при температуре 900—1200°С кальциево-магниевых карбонатных пород — известняка, мела, доломитового известняка, доломита с низким содержанием глины (менее 6%). Под действием высокой температуры известняковые породы разлагаются, причем из 100 частей известняка получается 56 частей извести и 44 части углекислого газа, который удаляется. В результате получается негашеная известь в виде пористых кусков. Такая комовая известь активно взаимодействует с водой с выделением большого количества теплоты. Для полного гашения 100 частей воздушной извести требуется только 32 части воды. Однако из-за интенсивных тепловыделений требуется воды в два-три раза больше, так как при гашении часть воды превращается в пар. Поэтому воздушную известь часто называют известь- кипелка. Молодую известь-кипелку следует хранить в сухих помещениях и сараях. Желательно, чтобы при этом полы находились на высоте полуметра над землей. Из-за больших тепловыделений, способных вызвать возгорание древесины, при попадании на нее небольшого количества воды, негашеная известь может быть пожароопасной.
В зависимости от количества воды, добавляемой к негашеной комовой извести, получают известковое тесто или известь (пушонку) в виде порошка.
Для получения пушонки на 1 м извести берут 600— 700 л воды. При гашении 1 м3 извести большим количеством воды получают известковое тесто.
Гашение извести в пушонку проводят на земле, пок-рытой деревянными щитами. По ним рассыпают кипелку слоем 10—15 см и поливают водой из лейки.
Гашение извести в тесто проводят в гасильном ящике размером 2х1(1,5)х0,4(0,5) м с закрывающимся отверстием, обращенным в творильную яму глубиной 1,5— 2 м.
Гашеная известь бывает быстрогасящейся (с началом гашения не более 8 мин), среднегасящейся (не более 25 мин) и медленногасящейся (свыше 25 мин).
Существенные недостатки чистой извести — ее неспо-собность твердеть в присутствии влаги и низкая водостой-кость. Это не позволяло широко использовать известь древним римлянам, которым для строительства дамб и ак-ведуков нужны были водостойкие вяжущие. Однако ими было замечено, что водостойкость известковых растворов значительно повышается, если в них добавить пепел или туф, образовавшиеся при извержении вулкана. Большие залежи этих вулканических пород, используемых в виде гидравлических добавок, были найдены около итальянского городка Пуццоли и в честь него получили название пуццоланов. В местах, где не было естественных пуццолановых пород, стали использовать измельченный в порошок бой кирпича, глиняной посуды или просто обожженную глину.
Так было положено начало производства гидравлических вяжущих, способных твердеть и сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.
В настоящее время из гидравлических вяжущих самое широкое распространение получил портландцемент, который в обиходе называют просто цементом. Материал, изобретенный около 170 лет тому назад одновременно английским каменщиком Джозефом Аспидиным и русским военным техником Егором Челиевым, позволил из смеси битого камня, песка, цемента и воды получить прочный водостойкий бетон.
Цемент является одним из лучших вяжущих веществ, способных твердеть на воздухе и в воде. Его получают путем обжига при высоких температурах и помола цемен-тного клинкера. Цементный клинкер представляет собой спекшуюся в виде зерен диаметром до 4 см смесь извест-няка и глины. При смешивании цемента с водой получается пластичное клейкое цементное тесто, которое постепенно твердеет и переходит в твердое камневидное состояние. Схватывание цементного теста происходит значительно медленнее по сравнению с гипсом, не ранее чем через 45 мин и не позднее 12 ч после затворения водой. Твердеет цемент медленно и набирает марочную прочность в течение 28 сут.
Марка цемента указывает на его прочность и соответствует той нагрузке на сжатие, приходящейся на 1 см2, которую может выдержать брусок из цементно-песчаного раствора состава 1:3, твердеющий в течение 28 сут.
Прочность цемент набирает в течение 28 сут неравно-мерно. На третий день она достигает приблизительно 40— 50% марки цемента, на седьмой — 60—70%, а к 28 дню прочность достигает заданной. Однако при определенных условиях прочность цементного камня со временем может возрастать и через месяцы или даже годы в два-три раза превзойти 28-суточную. Для получения удобоукладываемой смеси в нее приходится вводить воды в два-три раза больше, чем этого требуется для реакции твердения. Известно, что количество воды, взятой для приготовления теста, оказывает влияние на прочность образовавшегося цементного камня, поскольку оставшаяся в свободном состоянии вода постепенно высыхает и образует в затвердевшем камне множество пор. Поэтому для обеспечения прочности и морозостойкости бетонов необходимо брать минимальное количество воды.
Продолжительное хранение отрицательно сказывается на качестве цемента и ведет к потере его активности. Так, хранение в самых благоприятных условиях — сухом, про-ветриваемом помещении — в течение трех месяцев приводит к потере его активности на 10%, а в течение года — на 35—40%. Это вызвано тем, что влага, всегда находящаяся в воздухе, при соприкосновении с мель-чайшими частицами цемента раньше времени вызывает его гидратацию.
Особое внимание следует обратить на морозостойкость цементного камня и бетона. Наличие пор и совместное попеременное воздействие воды и мороза влечет за собой разрушение бетонных конструкций. Поэтому для повышения морозостойкости следует применять смеси, затворенные наименьшим количеством воды, с минимальным количеством активных минеральных добавок (трепела, доменных шлаков) и тщательно уплотнять смесь при укладке. Увеличить морозостойкость бетона можно поверхностно- активными добавками — мылонафтом и сульфитно-дрож- жевой бражкой (СДБ) . Наиболее опасным является замерзание цементного камня в начальный период твердения. Еще не набравший достаточной прочности материал не может активно сопротивляться давлению льда на стенки пор и поэтому легко разрушается.
Бетон является искусственным камнем, который обра-зуется в результате твердения смеси, состоящей из вяжу-щего вещества (чаще всего портландцемента), воды и за-полнителей (песка, щебня, гравия). Не затвердевшая смесь из этих компонентов называется бетонной смесью.
В образовавшемся бетоне песок, щебень или гравий выполняют роль каменного остова, а цемент, затворенный водой, их обволакивает и заполняет между ними проме-жутки, а при твердении связывает зерна песка, щебня и других материалов, превращая полученную смесь в твердый прочный искусственный камень — бетон.
Для повышения прочности бетонных изделий в них устанавливают стальные стержни, сетки или другую арматуру.
В настоящее время называется лигносульфона т технический (ЛСТ).
Полученные конструкции из бетона с арматурой на-зываются железобетонными.
Существуют различные виды бетонов. В жилищном строительстве распространение получил тяжелый бетон, применяемый для изготовления фундаментов, колонн, балок, различных несущих конструкций и элементов. Он изготовляется на основе портландцемента или шлакопорт- ландцемента, песка и плотных заполнителей — гравия или щебня горных пород, реже — шлакового или кирпичного щебня. Кроме того, широкое применение нашли и легкие бетоны, которые рассмотрены в гл. 4.6.
Строительный гипс представляет собой вяжущее вещество, твердеющее только на воздухе (воздушное вяжу-щее). Его получают из гипсового камня в результате дробления, помола и тепловой обработки при температуре 150— 160°С.
Природный гипсовый камень — это двуводный сернокислый кальций, который при обжиге теряет полторы молекулы воды, превращаясь в полуводный гипс — порошок белого цвета, широко использующийся в строительстве. Как и все вяжущие, при смешивании с водой он образует пластичное тесно, которое твердеет и приобретает прочность, превращаясь опять в свое первоначальное состояние — двуводный гипс.
Для того чтобы прошла реакция твердения и полуводный гипс превратился в двуводный, необходимо 18,6% воды от массы гипсового вяжущего. Однако из-за большой во- допотребности гипса для получения удобоукладываемого пластичного раствора необходимо брать 60—80% воды. Избыточная вода при твердении и высыхании испаряется, оставляя большое количество пор. В результате образуется пористый материал, пустотность которого достигает 60%. Наличие большого количества пор понижает прочность материала. Кроме того, поры, сообщаясь с окружающим воздухом, хорошо впитывают влагу. Попавшая внутрь влага растворяет двуводный гипс, уменьшая тем самым его прочность. Поэтому в присутствии воды гипсовые изделия резко снижают свою прочность. В связи с этим его не применяют для наружной отделки, а используют внутри сухих поме-щений при штукатурных и лепных работах.
Повысить водостойкость гипса можно введением молотого доменного гранулированного шлака, извести, цемента или гидрофобной добавки (олеиновая кислота), а также пропитыванием гидрофобными добавками.
При твердении гипса происходит (в отличие от других строительных растворов) не уменьшение, а увеличение его объема примерно на 1%, что позволяет применять его для изготовления архитектурных деталей способом литья, а также для плотной заделки щелей и зазоров. Кроме того, при твердении гипса не образуются трещины.
Гипс является быстросхватывающимся и быстротвердеющим веществом. При повышении температуры (не выше 65°С) твердение гипса ускоряется.
В настоящее время выпускаются быстротвердеющие, нормальнотвердеющие и медленнотвердеющие гипсовые вяжущие: быстротвердеющие имеют начало схватывания не ранее 2 мин, конец не более 15 мин; нормальнотверде-ющие — начало схватывания не ранее 6 мин, конец не позднее 30 мин; медленнотвердеющие — начало схватывания не ранее 30 мин.
Быстрое схватывание гипса часто затрудяет его применение. В связи с этим рекомендуется гипсовые растворы готовить маленькими порциями (если это возможно) или в воду для затворения вводить замедлители схватывания. В качестве замедлителей применяют животный клей (ке- ратиновый или известково-кератиновый), а также сульфитно-дрожжевую бражку в количестве 0,1—0,3% от массы гипса. Замедлитель на частицах гипса образует ад-сорбционную пленку, затрудняющую его растворение и начало схватывания.
В случае, когда надо ускорить твердение гипса, в него вводят поваренную соль, серную кислоту или двуводный гипс.
Высокопрочный гипс получают термовлажностной обработкой паром высокосортного гипсового камня под давлением выше атмосферного и последующей сушкой при 160—180°С. В результате получается гипс с увеличенными по размерам кристаллами. Благодаря малой площади суммарной поверхности частиц этого гипса не требуется большого количества воды для их обволакивания. А из-за низкой водопотребности при твердении и высыхании высокопрочного гипса образуется меньшее количество пор и полученный материал обладает большими прочностью и водостойкостью. Его прочность в два-три раза выше, чем у строительного гипса, и он может его заменить. Однако выпуск высокопрочного гипса в небольшом количестве ограничает его применение.
Высокообжиговый гипс, или эстрихгипс, изготовляют обжигом природного гипса или ангидрита при высокой температуре (800—1000°С). Высокообжиговый гипс в отличие от строительного медленно схватывается и твердеет. Изготовленные из него изделия имеют малую теплозвукопро- водность, высокую морозостойкость и водостойкость. Его применяют при устройстве полов, для изготовления искусственного мрамора, а также для штукатурки и кладки.
Гипсовые вяжущие используют для производства гипсовых и гипсобетонных изделий, декоративных и отделочных материалов, для приготовления гипсовых и смешанных растворов.
Изделия, полученные из смеси гипса и воды, т.е. из гипсового теста, называют гипсовыми, а из смеси гипса, воды и заполнителей — гипсобетонными. В качестве за-полнителей используют песок, пемзу, туф, топливные и металлургические шлаки, керамзитовый гравий.
Гипсовые изделия имеют небольшую плотность, несгораемы, обладают хорошей теплозвукоизоляцией. Однако из- за способности снижать прочность при увлажнении область применения гипсовых изделий резко ограничена помещениями с относительной влажностью не более 60% при исключении систематического увлажнения. Из-за значительной хрупкости гипсовые изделия армируют металлической сеткой, проволокой и стержнями. Необходимо отметить, что в гипсовых изделиях стальная арматура начинает корродировать, поэтому она должна иметь защитное покрытие.
