В.В. Эвальд. Строительные материалы, их свойства, испытание и приготовление. (Общие сведения о вяжущих веществах).

Вяжущие вещества.
§ 1. Общие сведения о вяжущих веществах.

Вяжущими или цементирующими веществами называются массы, употребляемые в полужидком, тестообразном состоянии, преимущественно для соединения (сцепления, связывания) между собою строительных камней, впоследствии отвердевающие.
Большею частью к этим веществам примешиваются песок или иное, ему подобное отощающее тело — отчасти в видах экономии, отчасти же с целью, уже известной нам из предыдущей главы: чтобы твердые зерна песка образовали скелет, предотвращающий растрескивание влажной массы, при ее высыхании; такие тестообразные смеси вяжущих веществ с песком, собственно, н называются в строительной технике растворами. Мы уже знакомы с глиняным раствором, состоящем из смеси жирной глины пополам с песком; такой раствор, но всей вероятности, первый, с которым познакомилось человечество, и ныне употребляется при кладке печей, при складывании стен из сырцового кирпича (самана) и т.п. В других случаях употребляют растворы гипсовые, асфальтовые и др. Но наибольшее применение в строительном деле имеют те вяжущие вещества, главной составной частью которых является известь (окись кальция, СаО)
Обладая сильными основными свойствами, известь легко вступает в соединения и поэтому не встречается в природе в свободном виде, но исключительно в виде соединений — преимущественно углекислых, сернокислых, фосфорнокислых и др. солей; для добывания извести служат только углекислые соединения ее — известняки, мраморы и т.п., сравнительно легко разлагающиеся при накаливании в обжигательной печи с выделением углекислого газа.
СаСОз = СаО + СО2.
Остающаяся после обжига безводная известь или кипелка (СаО), имеющая вид пористых, в чистом виде белых кусков, при обливании водою энергично соединяется с нею, выделяя много тепла, причем увеличивается в объеме, трескается и окончательно рассыпается в мельчайший порошок. Процесс этот называется гашением извести, а получившийся известковый гидрат — гашеною известью или пушонкою:
СаО + Н20 = Са (ОН)2
Чистая известь, свободная от глинистых и т.п. примесей, при гашении увеличивается в объеме весьма сильно — до 3,5 раз против первоначального объема; такая известь называется жирною; природная примесь глины, песку и т.п. ослабляет увеличение объема, делая известь тощею. Если взять более воды, чем потребно собственно для гашения, то мы получим гашеную известь уже не в порошке, но в виде пластичной, жирной на ощупь массы, называемой известковым тестом. Будучи оставлено на воздухе, тесто начинает с поверхности отвердевать — отчасти вследствие механического процесса высыхания, отчасти лее вследствие химического процесса — поглощения (в присутствии влажности) атмосферной углекислоты, причем вновь образуется углекислая известь, а химически связанная (гидратная) вода выделится:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н20.
Таким образом, необходимое условие твердения известкового теста, а следовательно и известкового раствора — свободный приток воздуха, отдающего извести свою углекислоту и уносящего пары выделяющейся воды; без этого условия известковый раствор твердеть не может. Поэтому известковые растворы называются также, воздушными.
Между тем, иногда надобно производить кладку в весьма сыром месте, или далее под водою, где раствор не может просыхать, а поглощение углекислоты будет происходить настолько медленно, что известь успеет совершенно раствориться в воде. В этих случаях, очевидно, нужно или вовсе отказаться от употребления извести, заменив ее каким либо иным веществом, способным отвердевать под водою, или же изменить свойства извести прибавкой к ней (при ее употреблении или во время самого приготовления ее) таких веществ, которые, так или иначе действуя на известь, дали бы, раствору возможность отвердеть без высыхания, и притом достаточно быстро. Растворы, в состав которых входят подобные вещества, называются, в отличие от воздушных или известковых, — гидравлическими.
Известковые растворы употреблялись еще в глубокой древности; для приготовления извести отдавали предпочтение плотным белым известнякам, как дающим наиболее чистую и жирную известь. Мергельные известняки, дающие известь тощую, считались менее пригодными, и возможность приготовления из них гидравлической извести не была известна древним, судя по дошедшим до нас сочинениям римских писателей — Катона (De re rustica, 180 л. до P. X.) и Витрувия (De Architectura, 13 л. после P. X.); в тех же случаях, когда требовалось увеличить прочность раствора и сопротивление его действию воды, к жирной извести примешивали или толченый кирпич, или измельченные вулканические туфы местного происхождения: на побережьях Средиземного моря — пуццоланы (вероятно с III века до P. X.) и санторинскую землю, по берегам Рейна — трасе. Эти то примеси прежде и назывались цементами; в новейшее время они называются цемянками или гидравлическими добавками, термин же „цемент» получил совершенно иное значение.
Время, протекшее после падения западной римской империи вплоть до XVIII века, внесло мало нового в технику строительных растворов. Кроме воздушного известкового раствора, в некоторых местностях (Париж, и местами в Германии) встречается применение гипсового раствора для кладки стен; для этой цели гипс применялся еще в древнем Египте, римляне же им не пользовались. Употребление трасса, одно время, по видимому, заброшенное, возобновляется с XI в, й в XVI. в. становится довольно распространенным по берегам Рейна и в Голландии; Италия продолжает пользоваться пуццоланами. Примешивание толченого кирпича к известковому (и даже гипсовому) раствору встречается повсеместно.
Первые, хотя еще не ясные указания на действительное значение природных примесей в известняках встречаем мы в вышедшем в 1729 г. в Париже сочинении Белидopa („La science des ingénieurs»), где указывалось, что известь в «Булони (Boulogne-sur-Mer), приготовляемая из желтоватых известняков, хотя и обладает лишь посредственными качествам для воздушных работ, но хороша для работ подводных; впервые высказывается здесь и предположение, что высокая температура, которую испытали вулканические туфы — пуццоланы и т.п. при их образовании, также как и обжиг кирпичной глины, составляет причину их полезного действия на известковый раствор; поэтому Белидор предлагает прибавлять к извести многие другие вещества, также предварительно подвергшиеся действию высоких температур, например кузнечные шлаки и т. п.
Попытки отыскать или создать новые, материалы для примешивания к известковым растворам, также как и попытки объяснить их действие при процессе твердения, становятся к этому времени более многочисленными, но все еще не имеют особого успеха, между прочим, вследствие несовершенства химических познаний того времени.
Джону Смитону (J. Smeaton, Англия, 1724-1792 г.) принадлежит заслуга выяснения — что это за примеси в известняке, которые обусловливают гидравличность получаемой из него извести. Будучи в 1753 г. назначен строителем Эдистонского маяка близ Плимута, Смитон предпринял ряд тщательных испытаний, первоначально лишь с целью определения наивыгоднейших пропорций трасса и извести, и в результате пришел к заключениям, совершенно опровергавшим державшееся столько веков, завещанное еще римскими писателями, мнение о превосходстве извести, получаемой из белых плотных известняков. Оказалось, что воздушная известь, приготовленная из рыхлого мела, нисколько не хуже добытой из мрамора, но что для подводных работ и та и другая уступают по качеству извести, выжигаемой из тех желтоватых или бурых, мало плотных известняков, которые при растворении в слабой азотной кислоте дают нерастворимый остаток; остаток же этот, будучи освобожден отмучиванием от песку и затем прокален, оказался ничем иным, как глиною. Исследования Смитона были опубликованы в 1791 г., и вскоре после этого в 1796 г. Джемс Паркер взял патент на способ приготовления вяжущего вещества из мергельных «почек» (глинистых камней, пронизанных известняковыми прожилками), причем получаемый после обжига продукт уже не гасился прямо водою, подобно извести, а предварительно измалывается в порошок, и в таком виде поступал в продажу. Вследствие сходства по. цвету с желтобурыми видами итальянских пуццолан, а вероятно и ради рекламы — чтобы выразить названием, что новый материал не уступает им но достоинству, — продукт Паркера получил название римского или романского цемента (Roman-cement); это название и поныне сохранилось за всеми цементами, получаемыми при умеренном обжиге природных мергельных известняков.
Хотя, в тексте патента Паркера и встречается указание, что материал обжигается при температуре, близкой к его остекловыванию, но, судя по цвету и прочим свойствам, этого цемента, температура обжига  не превосходила 1000—1100° Ц. Роман-цемент Паркера вскоре не только получил обширное применение в Англии, но сделался и предметом значительного вывоза.
Следующим важным этапом в истории вяжущих веществ являются исследования французского инженера Вика (L. T. Vicat, 1786-1861 г.) и, до некоторой степени, берлинского профессора химии Иона (J. F. John, 1782-1847 г.), сделанные почти одновременно, но независимо друг от друга. Голландское научное общество в Гаарлеме объявило в 1810 г. конкурс на исследование причин превосходства извести, получаемой из известняков, над известью из морских раковин; золотая медаль на этом конкурсе была присуждена Иону, закончившему свой труд в 1818 г. и нашедшему, что улучшающая свойства извести примесь должна состоять из кремнезема, глинозема и окиси железа; химически соединяющихся с известью; чем более содержится этих веществ в известняке, тем меньшую роль в процессе твердения играет поглощение углекислоты и образование углекислой извести, столь существенное в том случае, когда эти примеси отсутствуют. В заключении Ион указал на возможность улучшать известь, полученную из морских раковин таким образом: известь эту после обжига следует гасить в порошок (в то время гашение было самым простым и дешевым способом измельчения извести, так как измалывающие машины были тогда еще весьма несовершенными): далее, смешивать этот порошок с прибавками, содержащими вышепоименованные вещества и затворять в тесто, которое затем высушивать и снова обжигать. Но Ион, как кабинетный ученый, мало интересовался практическим заводским осуществлением своих идей, и труды его — как это часто бывает — остались мало известными современникам.
Вика, наоборот, был не только ученый, но и практический инженер, что н сказалось в характере его исследовании, создавших во Франции, целую новую отрасль промышленности — производство гидравлической извести (термин, введенный Вика). Уже в первом своем сочинении «Recherches expérimentales sur les4 chaux de construction, les bétons et les mortiers ordinaires») 1818 г.), он также предлагал приготовлять искусственный продукт, обжигая смесь извести с глиною и измалывая полученный продукт, причем придавал, особо важное значение тому, чтобы обе эти составные части были обожжены вместе, а не порознь. После проверки его опытов парижской Академией Наук, ему было разрешено построить на таком растворе один из быков моста через Дордонь в Сульяке, и это было первое сооружение, возведенное при помощи синтетически приготовленного цемента. Благодаря Вика, исследовавшему свыше 800 известняков и давшему наставления для их обработки, возник во Франции целый ряд заводов, производивших xoponiyio гидравлическую известь.
Название портланд-цемент (по всей вероятности, вызванное сходством цвета отвердевшего раствора с известным в Англии строительным камнем, выламываемым в Портланде) впервые встречается в английском патенте, выданном в 1824 г. Джозефу Аспдину (J. Aspdin), который предложил пользоваться пылью, сметаемой с мощеных известняковым щебнем шоссейных дорог; пыль эту смешивать с глиной, высушивать в виде комьев подходящей величины, затем обжигать подобно обыкновенным известнякам до полного удаления углекислоты и, наконец, измалывать продукт обжига в порошок; при недостатке шоссейной пыли можно брать известняк, измельченный искусственно, или погашенную в порошок известь. Как видно из этой характеристики, патентованный способ Аспдина был сходен с предлагавшимся ранее (Вика, Ион); какова была температура обжига — неизвестно (Аспдин окружал работу своего завода большой таинственностью), но многое заставляет полагать, что обжиг был, по-прежнему, лишь умеренный, т.е. что изготовлявшийся Аспдином продукт представлял собою, по нашим современным понятиям, в сущности, тот же роман-цемент, только искусственно составленный, подобно цементу Вика.
Настоящий портланд-цемент в современном нам значении этого слова, т.е. продукт обожженный до спекания, впервые стал с 1844 г. изготовлять Джонсон (ум. в 1911 г.), директор завода Lohn Basley, White & Sons — в Лондоне, за ним завод Robins & Сo — и еще несколько английских заводов.
Вопрос о том, какая из трех составных частей глины (кремнезема, глинозема, окиси железа) играет наиболее существенную роль в процессе твердения растворов, был возбужден, тем же голландским Обществом, о котором мы упоминали выше; вопрос этот был в 1829-30 г. разрешен мюнхенским проф. химии и минералогии Фуксом (J. N. Fuchs, 1774 — 1856 г.), выяснившим преобладающее в этом процессе значение кремнезема, и именно активного его видоизменения, образующегося при прокаливании, в особенности с известью; таким образом явилось первое научное объяснение явлений твердения не только цементных, но и пуццолановых растворов.
Долгое время Англия, родина обоих цементов — романского и портландского — снабжала ими почти все европейские рынки. Первые портланд-цементные заводы на материке Европы возникли лишь в пятидесятых годах прошлого столетия: во Франции — завод Е. Dupont в Boulogne-sur-Mer, а в Германии — в Штеттине (1852- 1854 г.); последний явился единственным источником портланд-цемента для севера России во время крымской войны, когда вывоз этого материала в Россию из Англии был воспрещен особым декретом английской королевы.
В России первые научно-технические исследования известняков (нарвских, тосненских, ладожских) были произведены еще в двадцатых годах прошлого века, при Александре I, вероятно, под впечатлением работ Вика, так как во главе русского инженерного дела стоял тогда Бетанкур (A. de Betancourt), который и вызвал для этих исследований из Франции ученого инженера Raucourt de Charle ville; — последний, кроме того, преподавал в Институте Инженеров Путей Сообщения строительное искусство, построил мост через р. Нарову и т.п. Труды Шарлевиля были изданы в Спб. в 1822 г. под заглавием: «Traité sur l’art de faire des bons mortires».
Первый завод романского цемента на берегу Невы в 25 верстах от СПб., основал в 1851 г. военный инженер П.Е. Роше; вскоре за ним возник и второй в Петербургском уезде, принадлежавший Я.К. Палю.
В 1859 г. И. И. Цехановский устроил в с. Славкове (Олькушск. у. Келецкой губ.) небольшой завод романского цемента, а в 1863 г. — первый в России завод портландского цемента в м. Гродзец (Бендзинск. у. Петроковской губ.). Этот старейший из русских портланд-цементных заводов, существующий и поныне, первоначально производил лишь около 20.000 бочек в год — что, при тогдашнем, небольшом еще спросе на цемент, не только удовлетворяло местным потребностям, но даже позволяло вывозить его в пограничные части Австрии а Пруссии.

В конце 60-х годов был основан второй портланд-цементмый завод — К.X. Шмидта в Риге, затем завод в Порт-Кунде (около Ревеля), в Новороссийске и т.д. Ко времени начала последней войны в России работало всего около 40 заводов портландского цемента, с совокупной годовой производительностью свыше 5 милл. бочек. На всем же земном шаре к тому времени выделывалось около 200 миллионов бочек этого цемента, в том числе около половины — заводами Соединенных Штатов и Германии.
Такой колосальный рост производства именно этого материала объясняется тем, что из всех гидравлических вяжущих веществ портланд-цемент — самое совершенное, обладает наиболее постоянными, допускающими возможность контроля качествами, и поэтому может, с наибольшей уверенностью в успехе, быть применяем для различных надобностей в строительном деле. Но не надо забывать, что и этот, лучший из современных цементов не лишен некоторых присущих ему недостатков (напр., не вполне устойчив против долговременного действия морской воды). Таким образом, в лице современного портланд-цемента технический прогресс не сказал еще своего последнего слова, и следует надеяться, что наши потомки будут обладать еще более совершенными гидравлическими вяжущими веществами. Открыть эти вещества и разрабатывать заводские способы их приготовления — одна из важных задач современной технической науки.
Классификация. Мы поименовали в предыдущем изложении лишь главнейшие из содержащих известь вяжущих веществ, употребляемых в строительном деле; кроме них изобретались и распространялись под различными, иногда весьма замысловатыми названиями, многие другие, что делало подчас затруднительной оценку и самый выбор подходящего для заданной цели материала. Возникла необходимость в общем соглашении относительно названия различных гидравлических продуктов и относительно способов их испытания. На состоявшемся в 1885 г. в Мюнхене международном съезде ученых, техников и заводчиков, между прочим, были впервые установлены точные характеристики наиболее употребительных гидравлических вяжущих веществ, за сделанными впоследствии изменениями и дополнениями. Эти характеристики ныне сводятся к следующему:
1. Гидравлические извести — продукты, получаемые обжигом более или менее богатых глиною известняков (мергелей), превращающиеся при смачивании их после обжига водою, частью или вполне, в порошок. Смотря по местным условиям, гидравлические извести поступают в продажу или в виде кусков, или в виде мелкого порошка (погашенная гидравлическая известь).
2. Роман-цементы — продукты, полученные умеренным обжигом богатых глиною известковых и магнезиальных мергелей, которые при смачивании их водою не гасятся, но должны быть обращены в порошок механическими средствами. Уд. вес их не менее 2,60.
3. Портланд-цементы — продукты, получаемые сильным (до спекания) обжигом глинистых известняков или искусственных смесей материалов, содержащих глину и известь. После обжига, будучи обращены в мельчайший порошок, обладают уд. весом не менее 3,05 и содержат одну весовую часть кислотных окислов (кремнезем, глинозем и окись железа) на 1,7 — 2,2 части извести. Для peгулирования некоторых технически важных свойств допускается примешивание посторонних тел, но не свыше 2%, без изменения названия «портландский цемент».
4. Шлаковые цементы — продукты теснейшего смешения порошкообразного известкового гидрата в количестве 15—20% с раздробленными в мельчайший порошок, гранулированными доменными шлаками.
5. Пуццолаповые цементы — продукты теснейшего смешения порошкообразного известкового гидрата с раздробленными в мельчайший порошок гидравлическими добавками. ,
Гидравлические добавки (цемянки) — естественные или искусственные вещества, которые не могут, самостоятельно отвердевать под водою, а лишь в смеси с известью, как напр., пуццоланы, трасс, санторинская земля, обожженная глина.
6. Смешанные цементы — продукты получаемые теснейшим смешением цемента с соотв. добавками при содержании последних свыше 2%.
Шлако-портланд-цемент — смесь готового портланд-цемента с измельченным гранулированным основным доменным шлаком, взятым в количестве не более 30%.
Рассматривая вкратце характерные признаки наиболее типичных вяжущих веществ, служащих для приготовления растворов, мы видим, что гидравлические свойства, совершенно отсутствующие у чистой (жирной) извести, увеличиваются по мере увеличения содержания в ней примесей, преимущественно глины — до известного предела, далее которого теряется уже способность образовывать самостоятельные растворы, но сохраняется способность придавать гидравличность растворам жирной извести.
Чистая или жирная известь гасится, сильно увеличивается в объеме и рассыпается при этом в порошок.
Гидравлическая известь, содержащая примесь глины, еще сохраняет способность гаситься и рассыпаться в порошок, но уже в заметно более слабой степени, чем жирная известь.
Цементы, содержа большую примесь глины, окончательно, лишены этой способности и должны быть обращаемы в порошок механическими средствами, хотя порошок этот все еще образует с водою пластичное тесто.
Наконец, гидравлические добавки, еще более богатые глиной, не только не гасятся, но будучи обращены в порошок, не образуют с водой пластичного теста.

Источник: Эвальд В.В. Строительные материалы, их свойства, испытание и приготовление.//Часть I. — Гос. тех. изд, 1923. — С. 96-102.