Глава V. Минеральные вяжущие материалы [1986 Попов К.Н. - Материаловедение для каменщиков, монтажников конструкций]

§ 18. Общие сведения

Для возведения зданий и сооружений используют различные штучные материалы: кирпичи, блоки, панели. Чтобы здание было прочным, штучные материалы связывают в единую монолитную конструкцию. Для этой цели служат вяжущие материалы. Кроме того, вяжущие материалы (далее для краткости именуемые "вяжущие") - основной компонент бетонов, в которых они соединяют воедино зерна заполнителей (песка и щебня). Без преувеличения можно сказать, что вяжущие в современном строительстве - главнейший строительный материал и одновременно сырье для получения других материалов и изделий.

Простейшие вяжущие - глина, гипс, известь - применялись с древнейших времен, но из-за неводостойкости они полностью не отвечали требованиям строительства. В XVIII в. начинается производство гидравлических (водостойких) вяжущих: сначала романцемента, а потом и портландцемента. В современном строительстве применяют большое количество неорганических и органических (битумных, полимерных) вяжущих, обладающих самыми разнообразными свойствами.

Минеральными вяжущими называют порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичную легкоформующуюся массу ("вяжущее тесто"), постепенно затвердевающую до камневидного состояния. В зависимости от главнейшего свойства - отношения затвердевшего вяжущего к воде - различают воздушные и гидравлические вяжущие материалы.

Воздушные вяжущие способны твердеть и сохранять свою прочность только в воздушной среде, во влажной они теряют прочность. К этой группе относятся глина, гипсовые вяжущие, воздушная известь.

Гидравлические вяжущие способны затвердевать и сохранять свою прочность как в воздушной среде, так и во влажной. Для эффективного протекания процесса твердения необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно была влага. При недостатке влаги процесс твердения приостанавливается. К этой группе относятся гидравлическая известь, портландцемент и его разновидности.

Основные показатели качества вяжущих - прочность и скорость твердения.

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 ч после их изготовления, а портландцемента через 28 сут твердения во влажных условиях при температуре (20 ± 2)°С.

Скорость твердения - другая важная характеристика вяжущих. Наибольшей скоростью твердения обладают гипсовые вяжущие (они полностью затвердевают за несколько часов), наименьшей - воздушная известь: процесс ее твердения может длиться годы.

Принято различать две стадии в процессе твердения: схватывание и собственно твердение. Когда появляются признаки загустевания вяжущего теста и оно начинает заметно терять пластичность, говорят о начале схватывания. Сроки схватывания гипса 4...30 мин, портландцемента - несколько часов. Все операции по транспортированию и укладке смесей на основе вяжущих (бетонных и растворных смесей) должны заканчиваться до начала схватывания. Повторное перемешивание, особенно с добавлением воды, с целью придания пластичности схватившейся смеси приводит к существенному снижению прочности бетона или раствора.

Основы теории твердения вяжущих были разработаны акад. А. А. Байковым (1923). По этой теории в процессе твердения выделяют три стадии: подготовительную, коллоидации и кристаллизации.

В подготовительной стадии частицы вяжущего, соприкасаясь с водой, начинают растворяться с поверхности до образования насыщенного раствора и одновременно в растворе происходит гидратация - химическое присоединение воды к растворившимся молекулам вяжущего. Основная особенность вяжущих состоит в том, что растворимость исходных вяжущих веществ выше, чем растворимость образующихся гидратных соединений. Поэтому по мере прохождения гидратации раствор становится пересыщенным по отношению к вновь образовавшимся гидратированным веществам.

Как известно, пересыщенный раствор - неустойчивая система, поэтому из него начинают выпадать мельчайшие коллоидные частицы с образованием так называемого геля (студнеобразной массы), что внешне выражается в загустевании теста вяжущего, появлении начальной прочности (это и есть схватывание). Гель постепенно уплотняется, и в нем начинают образовываться кристаллы, которые, срастаясь один с другим, образуют жесткий скелет - вяжущее набирает прочность.

Указанные стадии не следуют одна за другой в строгой последовательности, а налагаются одна на другую. Это объясняется малой растворимостью вяжущих веществ. У некоторых вяжущих, например портландцемента, для полного растворения и гидратации частиц требуются годы. Однако большую часть прочности вяжущее набирает в начальный период твердения; со временем скорость твердения существенно снижается. Так, для портландцемента марочная прочность определяется после 28 сут твердения, хотя на этом процесс твердения не заканчивается.