Общие сведения и классификация

5.1. Общие сведения и классификация

Для получения многих искусственных СМ или склеивания штучных материалов в изделия и конструкции  широко используют неорганические (известь, гипсовые вяжущие, растворимое стекло, цементы) и органические (битумы, дегти, смолы, клеи) вяжущие вещества.

К вяжущим веществам относят любые порошкообразные, жидкие или пастообразные материалы, способные превращаться в камневидное тело при затворении их водой или отвердителем и связывать разнородные камни в единый монолит.

Общая классификация вяжущих веществ по А.А.Пащенко в зависимости от характера процессов происходящих при их твердении представлена в таблице 5.1.

Таблица 5.1

К первой группе относятся все традиционные вяжущие материалы, твердеющие после смешивания с водой. Для этой группы вяжущих материалов характерны реакции гидратации и гидролитической диссоциации:

А + аq -→ А • аq,

A + aq →• А' • aq + A' • aq,

А + В-+aq →• АВ • aq.

Ко второй группе могут быть отнесены вяжущие, представляющие собой типичные коллоидные системы и твердеющие за счет коагуляционного структурообразования.

К третьей группе относятся вяжущие материалы, твердеющие за счет реакций полимеризации и поликонденсации. Для этой группы вяжущих материалов характерны следующие реакции:

n А → [—А—]_n

nА→  [—А'— ]_n + mА'',

Рассматриваемые группы вяжущих веществ отличаются как по своим свойствам, строению и типу химической связи, так и по процессам твердения. Вид химической связи (ионная, ковалентная) между отдельными атомами и группами атомов, а также размеры отдельных атомов и ионов или молекулярных групп и способность атомов к изменению координации определяют сложность строения веществ, используемых в качестве вяжущих.

Неорганические вяжущие вещества представляют собой искусственные тонкоизмельченные порошки, способные при смешивании с водой (в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образовывать пластично-вязкую и легкоформуемую массу (вяжущее тесто), которая в результате физико-химических процессов постепенно затвердевает и переходит в камневидное тело.

В большинстве случаев в вяжущее тесто вводят заполнители, что способствует экономии вяжущего и улучшению свойств искусственного камня. Неорганические вяжущие вещества в зависимости от их способности твердеть в определенной среде делят на воздушные и гидравлические автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие  (известь воздушная, гипсовые и магнезиальные вяжущие, растворимое стекло) твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде.

Вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять или повышать прочность не только на воздухе, но еще лучше в воде, называют вяжущими водного твердения или гидравлическими вяжущими. Число разновидностей гидравлических вяжущих непрерывно увеличивается в результате использования новых видов сырья и применения новых способов производства.

В отдельную группу выделяют вяжущие вещества автоклавного твердения (известково-кремнеземистые, известково-нефелиновые, бесклинкерные шлаковые и зольные вяжущие материалы), хотя по существу они то же относятся к гидравлическим вяжущим. Такие вяжущие эффективно твердеют только в среде нагретого насыщенного пара в автоклавах, где температура 175°С и более и давление 0,9...1,6 МПа.

Прочность вяжущих изменяется во времени, поэтому оценивают вяжущие по прочности, набранной за определенное время твердения в условиях, установленных стандартом. Этот показатель принимают за марку вяжущего. Например, марка гипсовых вяжущих определяется по прочности образцов спустя 2 часа после их изготовления, а портландцемента через 28 суток твердения.

Условно принято различать два периода в процессе твердения вяжущего вещества — схватывание и собственно твердение.

Момент, когда пластичное вяжущее тесто начинает загустевать и теряет пластичность, соответствует началу схватывания. Далее вяжущее тесто все больше и больше уплотняется, полностью загустевает и постепенно превращается в твердое камневидное тело, не обладающее еще практически заметной прочностью. Этот момент считают концом схватывания.

Некоторые вяжущие схватываются в течение нескольких минут, а затвердевают за несколько часов (на пример, гипсовые). Наиболее медленно твердеет воздушная гашеная известь, которая в обычных условиях заметно затвердевает лишь через несколько недель или месяцев. Большинство цементов схватывается в течение десятков минут или нескольких часов, а интенсивно твердеет в сроки до месяца, хотя процесс твердения при благоприятных условиях продолжается многие годы. Все операции по транспортированию и укладке смесей на основе вяжущих должны заканчиваться до начала схватывания. Повторное перемешивание, особенно с добавлением воды, с целью придания пластичности схватывающейся смеси приводит к существенному снижению прочности затвердевшей смеси.

Неорганические вяжущие, получаемые искусственно путем обжига природного сырья, появились в глубокой древности. Некоторые из них (воздушную известь, гипс и их смеси) уже использовали для возведения египетских пирамид и других сооружений. Римляне, сооружая водопроводы, морские сооружения, использовали вяжущие, состоящие из смеси воздушной извести со специальными измельченными добавками (вулканическими пеплами, обожженной глиной), которые сохраняли прочность в воде.

Применение вяжущих веществ в России относится к X в. При сооружении Десятинной церкви в Киеве (990 г.) использовали известь, там же при возведении Софийского собора (XI в.) применяли известь с добавкой цемянки (толченого кирпича). На известковом растворе сложены стены Московского Кремля (конец XV в.). В XVIII в. появились более водостойкие вяжущие — гидравлическая известь и романцемент, которые получали обжигом известняков с повышенным содержанием глинистых веществ, а также мергелей и искусственных смесей известняка и глины. Свойства этих вяжущих, опыт их производства и применения описаны в работах русских ученых акад. В. М. Севергина (1807) и проф. А. Шарлевиля (1822). Дальнейшим толчком развития производства и применения вяжущих веществ явилось изобретение цемента более высокой прочности и водостойкости, названного портландцементом.

Бесплатная лекция: "8 Сортировка списков" также доступна.

Изобретение портландцемента часто приписывают английскому каменщику Д. Аспдину, который в 1824 г. получил патент на изготовление вяжущего вещества обжигом смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен под г. Портлэнд в Англии он назвал это вяжущее портландцементом. Однако Аспдин не обжигал смесь до спекания (частичного плавления). Поэтому вяжущее, полученное им, по технологии и свойствам являлось разновидностью романцемента и, следовательно, не походило на современный портландцемент. В то же время в России военный техник Е. Г. Челиев в 1817—1825 гг. изготовлял цемент из смесей извести или известковой штукатурки с глиной, производя их обжиг до частичного расплавления компонентов с последующим измельчением полученного продукта. При затворении вяжущего водой рекомендовалось вводить небольшое количество гипса. Свои работы Е. Г. Челиев завершил изданием книги (1825), в которой описал и научно обосновал применявшийся им способ изготовления цемента, принципиально не отличающийся от технологии современного портландцемента. Поэтому исторически справедливо считать основоположником портландцемента Е. Г. Челиева.

Дальнейшее изучение вяжущих веществ в России было продолжено русскими учеными А. Р. Шуляченко, И. Г. Малюгой, Н. А. Белелюбским, Н. Н. Ляминым, Д. И. Менделеевым, С. И. Дружининым и др. Особые заслуги в теории и практике промышленного производства цемента в России принадлежат проф. А. Р. Шуляченко (1841— 1903), которого считают «отцом русского цементного производствам. Благодаря его работам удалось наладить производство русских портландцементов и почти полностью вытеснить из России иностранные цементы. Им вместе с профессором Н. А. Белелюбским и И. Г. Малюгой разработаны в 1881 г. первые русские нормы на портландцемент.

В результате работ и исследований Н. Н. Лямина, В. И. Чарномского, А. А. Байкова были открыты русские гидравлические добавки, не уступающие по качеству добавкам, импортируемым в Россию из-за границы. Позднее советские ученые (А. А. Байков, С. И. Дружинин, В. А. Кинд, В. Н. Юнг и др.) полностью решили вопрос о пуццоланизации цемента и создании пуццоланового портландцемента.

Развивая исследования А. Р. Шуляченко, Н. Н. Лямина, Ле-Шателье, Михаэлиса по вопросам твердения вяжущих, акад. А. А. Байков разработал (1923) теорию твердения неорганических вяжущих веществ, базирующуюся на точных физико-химических представлениях.

Большой вклад в раскрытие химической сущности процессов минералообразования, гидратации, твердения, разработку новых видов технологии вяжущих внесли советские ученые В. А. Кинд, В. Н. Юнг, П. П. Будников, Н. А. Торопов, П. А. Ребиндер, Ю. М. Бутт и др.

Улучшилось качество цемента и прежде всего повысилась его средняя марка (прочность), появились новые виды цементов со специальными свойствами, создание которых при надлежит Б, Г. Скрамтаеву, М. И. Хигеровичу, В. В. Михайлову, И. В. Кравченко, С. В. Шестоперову и другим ученым.