Гидравличность вяжущих из карбонатно-глинистого сырья. От воздушной извести к портландцементу
Гидравлические вяжущие по определению могут твердеть как на воздухе, так и в воде. Эта особенность гидравлических вяжущих обусловлена двумя свойствами их: а) практически полной нерастворимостью новообразований и б) медленностью топохимической стадии гидратации (вода медленно диффундирует к центру зерна исходного вяжущего через плотный слой новообразований и при высыхании поверхности процесс твердения прекращается).
Распространенным сырьем для получения вяжущих является известняк. При обжиге его основного вещества – карбоната кальция (СаСО3) – при температуре выше 900˚С образуется известь – оксид кальция (СаО), который при затворении водой дает гидроксид (см. предыдущую лекцию), затвердевающий в камень. Известковый камень – непрочный и обладает заметной растворимостью в воде. Поэтому известь относится к воздушным вяжущим.
В природе известняк часто содержит примеси глины. Было замечено, что чем больше глины в известняке, тем меньше растворимость известкового камня в воде и тем больше способность вяжущего твердеть в присутствии воды. Следовательно, гидравличность вяжущего из карбонатно-глинистого сырья (известняка с примесями глины) зависит от соотношения кальцита (карбоната кальция) и глинистого минерала (гидросиликата алюминия-железа) в обжигаемом сырье.
Объяснение этому явлению состоит в том, что глинистый минерал при обжиге вступает в реакцию с известью с образованием силикатов, алюминатов и ферритов кальция. При затворении водой из них получаются соответственно гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты, характеризующиеся, в отличие от извести, гидравлическими свойствами: нерастворимостью камня в воде и твердением во влажных условиях.
Если примесей глины в известняке не более 6 %, то их влияние на гидравличность получаемого при обжиге вяжущего невелико, образуется практически воздушная известь.
Если глины в известняке от 6 до 25 % (мергелистый известняк), то наряду с известью (СаО) при обжиге (также около 1000˚С) образуется заметное количество силикатов, алюминатов и ферритов кальция, что повышает гидравличностьизвести. Такое вяжущее и называется гидравлическая известь. Ее можно применять, например, при оштукатуривании стен подвалов, ниже гидроизоляционного слоя, отделяющего фундамент от стен. Камень гидравлической извести не размокает во влажных условиях, но совсем уж в воде он все же недостаточно водостоек.
Из природных смесей известняка с глиной (глины 25 % и более) или из искусственных (производственных) смесей того же состава можно получать уже достаточно водостойкие гидравлические вяжущие, называемые цементами. Один из первых цементов был получен в 1795 году англичанином Паркером путем обжига мергеля при 1000˚С. Продукт обжига был назван им «романским цементом». Романский означает «римский», название дано в рекламных целях, следует его понимать так, что цемент Паркера – не хуже римского. (О том, что такое римский цемент мы поговорим позднее – в курсе строительных материалов.) Цемент Паркера, называемый теперь романцемент по сей день числится в списке местных вяжущих, которые можно получать в полузаводских условиях из местного сырья.
Начало современному цементу было положено также англичанином Томасом Аспдином, который в 1824 году получил патент на изобретение «портлендского (портландского) цемента. Цемент Аспдина, получаемый также из мергеля или производственных смесей известняка с глиной, обжигали при температуре существенно выше, чем романцемент, так что происходило частичное расплавление сырья и спекание продукта обжига. При таких условиях образуется новый силикат кальция, которого не было при температуре 1000˚С. Позднее этот силикат назвали алитом, а температурой его образования стали считать 1450˚С. Именно алит придал новому цементу большую прочность и скорость твердения.
Аналогичный цемент в России получил Егор Челиев, его брошюра (экземпляр ее хранится в музее одного из вузов Петербурга) вышла в 1825 году, поэтому первенство в изобретении цемента осталось за Аспдином. После ряда усовершенствований (добавление гипса, более тщательный помол и др.) в середине 19 века начали производить в заводских условиях главное строительное вяжущее, называемое по сей день портландцемент.
Сказанное выше отражено на схеме (рис.1)
Рис.1. Гидравличность вяжущих из карбонатно-глинистого сырья