о корпорации |  продукция |  новости |  статьи |  контакт
 
 
 
Тематические статьи
 
История производства вяжущих материалов.
1
Цемент можно охарактеризовать как вяжущее вещество, обладающее способностью связывать отдельные куски или массу твердых материалов. Это определение охватывает большое количество самых различных веществ, у которых общим является, в сущности, только одно свойство — вяжущая способность. Основными свойствами вяжущих материалов является, прежде всего, способность после добавления воды образовать коллоидальные растворы, сообщающие тесту пластичность и, вследствие этого, легкую и удобную обрабатываемость в многообразных случаях применения в строительстве: для заполнения швов, для штукатурных и кровельных обмазок и т. п.
Другим, важным свойством вяжущих веществ является способность твердеть после затворения и с течением времени приобретать прочность. Таким образом, строительными вяжущими веществами называют материалы, которые, будучи в порошкообразном состоянии смешаны с водой, образуют пластичную и легко перерабатываемую массу, с течением времени затвердевающую в прочное камневидное тело.
Применение цементов в строительстве не было известно на ранних стадиях цивилизации. В древние времена постройки возводились из земли, иногда насыпанной чередующимися слоями в форме стен или сводов, а также из каменных глыб, уложенных друг на друга и не скрепленных вяжущим материалом, как, например, доисторические мегалитические постройки и циклопические сооружения в Греции. Устойчивость таких стен зависела исключительно от правильной укладки тяжелых каменных глыб без всякого участия адгезии. Хотя по этому способу были созданы замечательные сооружения, как, например, сводчатые храмы в Микенах, где между крупными блоками уложены мелкие каменные клинья для уплотнения швов, в последующие времена циклопические постройки все чаще уступают место каменной или кирпичной кладке на пластичном вяжущем материале.
Древнейшим вяжущим веществом являлась глина, до сих нор иной раз применяемая в качестве вяжущего. Строительные растворы на глине представляют собой наиболее древний вяжущий материал. Глина, непосредственно примененная в качестве вяжущего вещества, не требует предварительной термической обработки и нуждается для образования пластичного теста лишь в смешивании с водой. Простота такой переработки объясняет, почему глина применялась в строительстве еще в глубокой древности. Глиняные растворы после высыхания обладают связностью и небольшой прочностью. В качестве заполнителя для швов жирная глина не может применяться, так как при ее высыхании получается значительная усадка и даже появляются трещины. Поэтому в качестве вяжущего применялись и иногда применяются еще и теперь запесоченные глины. Жирные же глины должны быть отощены добавкой надлежащего количества песка. Ввиду того, что после высыхания глиняные растворы имеют лишь незначительную механическую прочность, как в древности, так и теперь путем введения в тесто волокнистых материалов стремятся придать ему большую прочность, для чего применяют нарезанную солому, отбросы шерсти, растительного волокна и т. д.
Таким образом, со временем, простая каменная кладка уступает место каменной или кирпичной кладке на пластичном вяжущем материале. Простейший пример такой кладки представляют собой кирпичные стены древних египетских сооружений. Кирпичи сушились не в печах, а на солнце, и каждый ряд покрывался слоем влажного нильского ила. Из этого же ила, иногда с добавкой рубленой соломы, изготавливались и кирпичи. После высыхания промежуточных слоев ила стена превращалась в твердую глиняную массу. Такой способ строительства годится лишь для районов, где не бывает дождей, так как необожженный материал обладает очень малой водостойкостью. Тем не менее, сооружения из этого материала сохранялись в течение многих веков. Город Кувейт на берегу Персидского залива был целиком построен из ила в самое недавнее время. Однако во влажных регионах такие постройки подвергались выветриванию и размываемости осадочными и грунтовыми водами и являлись крайне недолговечными.
По мере развития и усложнения строительства требования, предъявляемые к вяжущим веществам, также возрастали. Примерно за 2—3 тыс. лет до н. э. в Китае, Египте и Индии начали изготовлять искусственные вяжущие вещества, требующие при производстве термической обработки сырья. Наблюдение изменений, происходящих в естественных материалах, служивших для сооружения очагов, привело к первым выводам об изменении свойств глины, известняка или природного гипса при термической обработке. Гипсовые залежи в целом ряде мест довольно распространены и легко доступны; благодаря мягкости гипсовый камень легко добывается и обрабатывается. Известняк очень часто доступен в естественных обнажениях и легко добывается, если залежи составлены из слоев малой мощности, так называемого плитняка. Эти материалы при сооружении очагов требовали заполнения швов наиболее доступным вяжущим веществом древности, т. е. глиняным раствором. Даже в примитивных топках на древесном топливе все же достигались температуры, достаточные для превращения глиняного раствора в прочный гончарный черепок. Таким образом, пластические свойства глиняных растворов и легкая формуемость изделии из них привели к возникновению гончарного и кирпичного производств.
Наблюдение над действием воды на известняк, находившийся длительное время в очаге, дало также возможность установить ценные свойства получавшегося при этом порошкообразного вещества, способного при дальнейшей добавке воды образовать пластичное тесто. Присматриваясь к свойствам известкового теста, легко заметить основные свойства, позволяющие с удобством применять его в качестве вяжущего вещества. Известковое тесто, правильно погашенное и правильно замешанное, имеет жирный блеск, ясно и притом настолько сильно выраженную пластичность, что при применении в строительстве в него можно вводить значительную долю песка без потери удобообрабатываемости раствора.
По мере высыхания известковый раствор получает хотя и незначительную с современной точки зрения прочность, но все же заметно большую, чем глиняные растворы. Экономически это выгодно в том отношении, что пластичность извести дает возможность ввести в раствор значительное количество песка, почти везде доступного. Благодаря пластичности известковый раствор удобно перемешивать, наносить на ряды кладки и заполнять им швы. При достаточно быстр» В Китае при возведении ряда участков Великой китайской стены применяли известь еще за 200 лет до н. э.
Гипс из двуводной сернокислой соли превращался в легко измельчаемое новое вещество, т. е. в той или иной степени обезвоженный гипс. Оказывается, что гипс в качестве искусственного вяжущего вещества применялся в очень давние времена: например в Египте при сооружении пирамид и других крупных построек более 4,5 тыс. лет тому назад. Исследования показали, что древнеегипетские растворы были часто образованы путем смешивания обезвоженного гипса с песком, причем в растворах содержатся также остатки неразложенного двуводного гипса. В массивных сооружениях египтян мы уже встречаем прообраз современной системы соединения каменных блоков и плит с помощью раствора, состоящего из смеси песка и вяжущего материала. Обычно при описании типичного египетского раствора того времени, даже взятого из таких старинных сооружений, как Большая пирамида, его называют обожженной известью. Однако химический анализ этого раствора показывает, что египтяне не применяли извести, которая появилась уже позднее—в период Рима. У египтян вяжущим материалом служил обожженный гипс. Так как гипс добывался в очень загрязненном виде, он обычно содержал карбонат кальция, который мог частично разложиться в процессе обжига. Но даже обнаруженный в неразложившемся виде в растворе карбонат кальция мог создать впечатление, что для изготовления раствора была применена известь. Гипс неравномерно обжигался, так что раствор обычно представлял собой смесь природного минерала и намертво обожженного гипса. Такой раствор должен был отличаться неравномерным схватыванием и причинять строителям много неприятностей. Применение гипса вместо извести при наличии больших месторождений доступного для разработки известняка объяснялось нехваткой топлива: для обжига извести требуется более высокая температура, а следовательно, и больше топлива.
2
Известковые растворы получили весьма значительное применение в древнем Риме, в особенности ко времени, относящемуся к расцвету техники, в эпоху I—II вв. н. э. Однако такие растворы могут служить только для так называемых «воздушных», т. е. надземных построек и сооружении, так как известь не способна сопротивляться растворению и выщелачиванию водой вследствие сравнительно хорошей растворимости ее в воде. При выполнении на известковом растворе, например, фундаментов в сыром грунте, высыхание произойти не может, а грунтовые воды будут выщелачивать известь.
Поэтому в отмеченный выше период развития техники в древнем Риме, т. е. примерно около 2 тыс. лет тому назад, уже возникла необходимость в водостойком вяжущем веществе.
Город Рим в наиболее блестящий период своего развития был городом с населением около 1 млн. человек, по тем временам был прекрасно снабжен водой и имел канализацию.
В те времена создать водопроводные магистрали из железных или керамических труб большого диаметра было еще невозможно. Поэтому, учитывая теплый климат Италии, широко применялись открытые водоводы, или акведуки. При их помощи осуществлялось водоснабжение из более высокорасположенных рек, горных озер и т. п. Акведуки устраивались в траншеях при повышенных рельефах местности, но иногда водовод приходилось размещать поверх весьма мощных арочных сооружений, если магистраль пересекала долину или низменность. Такого рода весьма искусные постройки до сих пор сохранились во многих местах Италии. Кое-где они были разрушены при последовавших затем нашествиях или естественным путем вследствие выветривания и осадок почвы в течение сотен лет.
Поверх акведуков устраивались русла (желоба) водоводов для снабжения городов водой, стремившейся по желобам самотеком.
Если бы такой желоб сложить на извести, то он получился бы крайне недолговечным и мало прочным. Поэтому развитие больших городов в древнеримском государстве должно было привести и в действительности привело к появлению гидравлических растворов, т. е. растворов, устойчивых к воздействию проточной воды и состоявших из веществ, в ней не растворимых не выщелачиваемых. С другой стороны, гидравлические растворы обладают относительно высокой механической прочностью по сравнению с обычными известковыми растворами, и вполне естественно, что применение таких растворов удовлетворяло нуждам развивающейся техники древнего Рима при выполнении также и надземных сооружений. Например, при военных операциях сооружались крепости, которые иногда спешно возводились из нетесаных камней и требовали заполнения толстых швов достаточно прочным раствором.
Таким образом, для создания крупных гражданских и военных сооружений должен был появиться водостойкий материал, обладающий высокой механической прочностью.
Образцы римской кирпичной кладки, сохранившиеся до сих пор, свидетельствуют о высоком уровне, на котором находилось строительное мастерство в древние времена. Замечательная прочность раствора в стенах, возведенных в свое время римлянами, удивляла многих инженеров и даже наводила на мысль о том, что древние мастера обладали каким-то секретом, ныне утерянным. Но химический анализ этих растворов и сохранившиеся от древних времен описания говорят о беспочвенности таких предположений.
Этот вопрос привлек к себе особое внимание в период строительства больших водопроводных сооружений в Версале. Древние авторы утверждали, что известь после гашения должна храниться до употребления длительное время, исчисляемое годами. Однако французский инженер Лорио, привлеченный в 1765 г. к этой работе, придерживался другой точки зрения. Он предложил вводить в раствор свежегашеную известь, чтобы получить более высокую прочность и непроницаемость. Были предложения опускать куски извести величиной с яйцо в воду, а затем по истечении некоторого времени переносить их в бочку, где и будет происходить гашение с выделением пара.
В конце концов было доказано, что превосходное качество римских растворов объясняется не какими-нибудь секретами гашения извести или ее состава, а лишь тщательным перемешиванием и хорошим уплотнением (трамбованием). Последующая история строительства изобилует примерами того, к каким результатам приводит пренебрежение этим основным и важнейшим условием хорошей кирпичной и каменной кладки.
Итак, едва ли будет ошибкой сказать, что первым материалом, который дал возможность изготовлять гидравлические вяжущие вещества, были отходы гончарного производства. При несовершенстве древних гончарных и керамических печей получалось значительное количество брака. Это было связано со слабым и неравномерным обжигом по всему объему печи. Изделия выпускались на рынок хорошо обожженными, с тщатель- ной отсортировкой брака, что подтверждается качеством музейных экспонатов. При обжиге накапливалось значительное количество мелочи, а так как такая мелочь являлась отбросом, ее стали применять при выполнении сооружений на известковых растворах взамен песка в подходящих для этого случаях, например при отдаленности залежей песка и, наоборот, близости повсеместно расположенных гончарных или кир-пичеобжигательпых печей. Сохранился такой древний рецепт: «Если добавить к речному или морскому песку измельченные и просеянные через сито глиняные черепки в количестве 1:3, то качество раствора улучшается». Имеются данные о том, что толченые глиняные черепки добавлялись к известковому раствору для повышения его гидравлической способности еще в древние времена на Крите.
Наблюдение за растворами с такими добавками установило как их сравнительно большую прочность, так и повышенную устойчивость по отношению к размывающему действию воды, т. е. гидравличность.
Нам теперь известно, что обожженная глина переходит в наиболее активное по отношению к извести состояние именно при невысоких температурах обжига. Глинистое вещество, или каолинит, представляет собой существенную составную часть пластичной глины; состав каолинита выражается формулой А12О3•2SiO2•2Н2О. При нагревании в пределах 600— 800°, т. е. при температуре, легко достижимой даже в примитивных печах, это соединение распадается. Происходит целый ряд сложных видоизменений, приводящих к тому, что как кремнезем, так и глинозем переходят в такие модификации, которые уже не требуют дополнительной обработки (кроме измельчения) для того, чтобы при обычной температуре реагировать с раствором извести.
Необходимость найти такие вещества, которые удовлетворяли бы все возрастающие нужды и требования строительства, заставляла суммировать наблюдения и использовать накапливавшийся опыт.
Как греки, так и римляне знали, что некоторые вулканические породы, будучи тонко измельчены и смешаны с известью и песком, образуют раствор, который не только обладает высокой прочностью, но и устойчив по отношению к действию пресной и морской воды. Греки применяли для изготовления растворов вулканический туф с острова Тера (Санторин), и этот материал, известный под названием санториновой земли, до сих пор пользуется большой популярностью в Средиземноморье. Раствор, который еще и сейчас применяется санторинскими крестьянами, по составу и способу приготовления аналогичен раствору древних.
Римские строители пользовались для этих целей красным или пурпурным вулканическим туфом из различных пунктов в районе Неаполитанского залива. Наилучшей разновидностью этих материалов считался туф, который добывался поблизости от местечка Поццоли или Поццуоли (по-латински Путеоли) и получил впоследствии название пуццоланы. Сейчас этим словом обозначается большая группа минеральных материалов. Римский архитектор и инженер Витрувий описывает пуццоланы следующим образом:
"Это — песчаная порода, которая обладает необыкновенными свойствами. Ее добывают в районе Байи и на территории, прилегающей к горе Везувию. При смешиваний с известью и щебнем она твердеет как под водой, так и в обыкновенных постройках". Интересно, что термин «цемент» в его позднеримском или раннем французском значении вначале применялся для обозначения таких материалов, которые сейчас носят название искусственных пуццолан. В дальнейшем этот термин служил для определения растворов, изготовленных путем смешивания трех компонентов, и лишь в сравнительно недавно его стали употреблять в современном смысле этого слова.
Римляне обладали громадным опытом в составлении растворов с крупными инертными добавками, т. е. бетонов, как их теперь называют. Несомненно, римляне в нужных случаях намеренно добавляли в раствор крупный щебень, чтобы получить для своих мощных сооружений выход больших масс бетона.
Благодаря этому в необходимых случаях они могли возводить и возводили сооружения весьма значительных размеров без применения кирпича или естественного камня.
Римляне распространили искусство изготовления прочных растворов на все страны своей империи. Старинная римская кладка, сохранившаяся, например, в Англии, по качеству не уступает лучшим образцам таких построек в самой Италии. Толченые черепки являлись наиболее распространенной добавкой, но в некоторых районах применялись и местные материалы, близкие по свойствам к природным пуццоланам Неаполитанского побережья. Очевидно, в это же время начали применять и рейнский вулканический туф, так называемый трас (или таррас), которым широко используется еще и доныне.
3
После падения Римской империи качество растворов, употреблявшихся в строительстве, заметно ухудшилось. Это явление наблюдалось в течение всего средневековья. Например, саксонские и норманские постройки возводились на очень плохо перемешанном растворе, часто изготовленном из недостаточно обожженной извести. То же можно сказать и о французских постройках, изучение которых показывает, что в IX, Х и XI столетиях искусство обжига извести было почти полностью забыто. Она применялась в виде обожженных кусков без добавки толченых черепков. Начиная с XII в., качество извести постепенно улучшается; ее хорошо обжигают и тщательно просеивают. В XIV в. вновь появляются высококачественные растворы. В этот период уже начинают принимать такие меры предосторожности, как промывка песка от различных загрязнений. Ссылка на «таррас» или «таррис» в документах, относящихся к XVII в., показывают, что в Англии в этот период вновь возвращаются к использованию пуццолановых добавок.
В средние века цементом обычно называли раствор. Например, в таком авторитетном средневековом труде, как книга Бартоломея Англикуса «О свойствах вещей», говорится: "Известь это обожженный камень; при смешивании ее с песком и водой получается цемент". Однако термин "раствор" также применялся примерно с конца XIII столетия. Римская смесь извести с природными или искусственными пуццоланами долгое время оставалась единственным подходящим материалом для построек, находящихся под водой или подвергающихся воздействию воды. Так, Белидор, один из виднейших авторитетов XVIII столетия по гидравлическим сооружениям, рекомендовал готовить раствор путем тонкого измельчения черепков, щебня и кузнечной окалины, промывки их от угля и грязи, высушивания, просеивания и тщательного смешивания со свежегашеной известью. Тот же автор рекомендовал применять пуццоланы или трас, если эти материалы имелись под рукой. Исчерпывающим руководством по этому вопросу безусловно являлась большая книга Ронделе о строительном искусстве. Интересно, что в этой книге, вышедшей в 1805 г., в качестве авторитетов названы такие древние авторы, как Плиний, Витрувий и святой Августин.
 
 
 
  2006 © www.ecocem.com, designed by www.line2.biz