Римский бетон химическая сущность затвердевания цемента: Ученые раскрыли секрет удивительной прочности бетона Древнего Рима

Римский бетон — история появления, свойства, секреты прочности | Мастер …

Римляне начали использовать бетон более 2000 лет назад, но он не был похож на современные составы. Они готовили его по другой формуле, из которой получалось вещество менее прочное, чем современный бетон. В статье мастер сантехник расскажет, что такого есть в римском бетоне, что позволяет Пантеону и Колизею все еще стоять.

Как появился бетон

В Древнем Риме не было слова «бетон». Оно появилось гораздо позже, в XVIII в. во Франции. Римляне же материал, подобный бетону, называли по-разному. Так, литую кладку с каменным наполнителем они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). У Витрувия в кн. VII, гл. 4,5 при описании полов встречается слово «рудус» (rudus), которое в переводе Ф. А. Петровского и других известных ученых-историков означает бетон. Однако чаще всего при обозначении таких слов, как раствор, возведении стен, сводов, фундаментов, молов и тому подобных конструкций в римском лексиконе употреблялось словосочетание «опус цементуй» (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.

Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко в глубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник таким, каким мы его знаем сегодня, а, как большинство строительных материалов, прошел длинный путь развития.

Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапенски Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести, доставлявшейся вверх по течению реки более чем за 400 км от места добычи.

История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность.

Использование глины в строительстве восходит приблизительно к 10 тысячелетию дс н, э. На основе глины и жирной земли приготавливались смеси типа растворов и бетонов, которые в те Далекие времена широко применялись при строительстве самых Различных построек и сооружений,- начиная от простейших глинобитных (землебитных) домов до громадных храмов — зиккуратов (рис. 1).

Рис. 1. Зиккурат а древнем городе Ур, реконструкция

Римский писатель и ученый Плиний Старший (23—79 гг. н. э.) в «Естественной истории» с восхищением пишет о виденных им в Африке и Испании «формованных» стенах таких построек. «…Веками стоят они, не разрушаемые ни дождем, ни огнем, более прочные, чем сделанные из бутового камня… В Испании,— пишет он,— до сего дня стоят сторожевые вышки и башни Ганнибала из глины, построенные на вершинах гор». Плиний недаром называл такие стены «формованными», так как они, действительно, изготавливались путем трамбования (формования) влажного грунта или глины с камнем, уложенных между деревянными щитами опалубки, и в этом смысле являлись прообразом современных монолитных бетонных стен.

По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам. Считается, что более чем за 3 тыс. лет до н. э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее — известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья.

Вместе с производством вяжущих расширялось применение растворов и бетонов. Вероятно, первыми шагами в освоении бетона было помимо полов сооружение траншей для фундаментов зданий, которые заполнялись галькой или обломками битого камня, затем заливались раствором глины, битума или извести с песком и превращались со временем в плотную и относительно прочную массу.

Отдельные примеры связывания мелких камней растворами или использование раствора с крупным заполнителем были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагенян. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. По сведениям Плиния Старшего, бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры.

Одним из первых начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай. Великая китайская страна, строительство которой было начато в 214 г. до н. э., сооружена в основном из бетона. Приготовление бетона и формование из него стен состояло в следующем. Вначале одна часть известкового теста тщательно перемешивалась с двумя частями песка и гравия или песка, строительного мусора и земли. Полученная сухая (очень жесткая) бетонная сместь с небольшим содержанием воды укладывалась слоями толщиной около 12 см между деревянными щитами опалубки и усиленно уплотнялась деревянными трамбовками. После такого уплотнения поверхность каждого слоя слегка увлажнялась водой и на него укладывался следующий бетонный слой. Процесс повторялся до полного возведения стены. Такой метод строительства довольно широко применялся в Китае еще в 20-х годах нашего века при строительстве домов, школ, бань и пагод.

Народы, жившие на островах Эгейского моря и в Малой Азии, начиная с VII—VI вв. до н. э. применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками при строительстве отдельных зданий и гидротехнических сооружений. В Индии Уже в наше время в храмах и дворцах знати были обнаружены хорошо сохранившиеся бетонные «набивные» полы (IV—V вв. До н. э.).

Искусство производства бетона постепенно распространялось в Восточном Средиземноморье и примерно к 500 г. до н. э.; достигло Древней Греции, где для покрытия стен, в том числе из необожженного кирпича, использовался мелкозернистый известковый бетон. Таким образом были отделаны дворцы царей Креза (560—546 гг. до н. э.) и Атталы. Впоследствии бетон стал применяться в виде бутовой кладки. Пространство между двумя рядами каменной стены заполнялось крупными камнями, а затем заливалось известковым раствором. Витрувий в своем трактате довольно подробно описал несколько видов такой кладки.

Можно предположить, что римские бетонные стены и другие подобные конструкции развились как раз из греческой бутовой кладки путем постепенного расширения бутобетонного ядра за счет уменьшения толщины каменных стен, которые из главного элемента кладки постепенно превратились в тонкую оболочку, играющую уже подсобную, второстепенную роль.

Заметное применение бетона на территории древнеримского государства началось примерно с конца IV в. до н. э. и продолжалось около 700 лет. За это время в его развитии, как в живом организме, можно проследить четыре важных этапа: рождение, быстрый рост, зрелость и гибель этого материала.

Так, зарождение бетона, т. е. медленное и постепенное внедрение его в римскую строительную практику, длилось более двух! столетий (до I в. до н. э.). Второй этап, продолжавшийся до! II в. н. э., сопровождался ускоренным ростом и широким распространением объемов бетонного строительства по всей Римской империи и прилегающим к ней странам. На третьем этапе (в период так называемой зрелости) бетон развивался не так стремительно, но с заметным улучшением свойств, технологии; изготовления и принятия новых конструктивных решений. Это был этап качественного роста и развития больших потенциальных возможностей, который продолжался с начала II в. и примерно до середины III в. н. э. Наконец, заключительный, четвертый этап, продолжался менее ста лет и закончился в начале IV века н. э.

Указанное деление эволюционного развития римского бетона на отдельные этапы довольно условно, но позволяет схематично показать весь путь, который прошел этот материал за семь веков своего существования.

От псевдобетона до пантеона

Римляне, как уже было сказано, не были изобретателями бетона, так же, как не они первые обнаружили вяжущие свойства извести, не они придумали арку, свод, большинство строительных машин и оборудования. Они переняли все это у этрусков, греков и других народов. Однако массовое применение, или как говорят сегодня — внедрение, все это получило именно в Древнем Риме. Только там широкое применение получил и бетон. Только римляне сумели полностью использовать такие его свойства, как прочность, водонепроницаемость и экономичность, а с I в. н. э. бетон превратился в один из основных конструкционных строительных материалов.

Первые бетонные постройки Древнего Рима датируются II в. до н. э. Однако, несомненно, этот материал применялся в римском государстве намного раньше. Подтверждением служат многие работы археологов, в частности американского археолога Е. Ван Деман.

Бетон того далекого времени т. е. IV—III вв. до н. э., мало походил в качественном отношении на последующий римский, хотя принципиальное сходство между ними сохранилось. Недаром до наших дней почти не дошло ни одного сооружения из «старого» раннеримскою бетона. Е. Ван Деман, посвятившая большую часть жизни изучению древнеримской архитектуры и строитель-, ства, назвала такой материал псевдо- или квази (якобы) бетоном.

В качестве вяжущего в псевдобетоне использовалась воздушная известь, а заполнителем служили песок и камень с большим количеством грунта. Камни крупного заполнителя часто были размером более 40—60 см.

Археологические раскопки стен Помпеи показали, что римский псевдобетон представлял собой материал, напоминающий современную бутовую кладку, где в качестве сердечника, т. е. ядра кладки, выступали крупные битые камни или валуны, скрепленные известковым раствором, а в качестве облицовки — две параллельные стены из крупных естественных камней, также связанных раствором из песка и извести.

Подобную кладку в то время называли «опус инцертум» (opus incertum) или просто «инцерт», т. е. кладка камней, образующая на фасаде сооружения неправильный, нерегулярный рисунок. Бетон в ней был очень непрочен, и устойчивость таких стен достигалась не столько за счет связующей силы раствора, сколько за счет внутреннего давления, создаваемого массой заполнителя, и трения между камнями. Определенную роль играла здесь и облицовочная стенка, которая одновременно выполняла роль; опалубки, хотя уже в то время были известны случаи возведения бетонных сооружений с разборной деревянной опалубкой.

Начиная со II в. до н. э. бетон употребляется при строительстве фундаментов и стен жилых домов, храмов и сооружений утилитарного значения, в частности дорог. Известно, что строительству дорог римляне придавали очень большое значение, так как это связано с их военной политикой и освоением захваченных территорий.

Одним из первых наиболее крупных бетонных сооружений в Риме, по дошедшим до нас сведениям, явился огромный продовольственный склад рода Эмилиев. Он был построен во II в. до н. э. из массивных бетонных стен, вытянутых на 500 м вдоль Тибра.

Примерно с первой четверти I в. до н. э. состав бетона меняется. Улучшается качество заполнителей за счет более разнообразного зернового состава, уменьшается наибольшая крупность камней до величины с «кулак», резко сокращается количество грунта в заполнителях. В связи с этим растет и прочность бетона. Постепенно на смену «инцерту» приходит «ретикулат» (opus reticulatum): возведение опорной стенки из камней, имеющих правильный сетчатый рисунок (рис. 2).

Рис. 2. Часть бетонной стены мавзолея Августа

На юге Италии, особенно в районе Путеол, вместо обычно применявшегося песка для раствора и бетона местные жители использовали залегающие здесь пуццоланы, сначала даже не подозревая, какими превосходными качествами эти добавки обладают. Подобные свойства имели и вулканические породы в окрестностях Рима. Отличались они от неаполитанских (путеоланских) только цветом, но строители Рима не знали этого и ввозили такие добавки до середины I в. до н. э. с юга страны. После того, как было обнаружено, что местные добавки обладают такими же свойствами, как и добавки из района Путеол, их стали повсеместно использовать в бетоне, на что указывает красноватый оттенок бетонных сооружений в Риме и его окрестностях.  Впоследствии все добавки подобного типа стали называть пуццоланами.

В 1 в. до н. э. во времена Юлия Цезаря, пуццоланы в бетонах все чаще используются непосредственно по своему назначению, Примерами могут служить ранние гидротехнические сооружения; некоторые из них сохранились до наших дней, в частности большой волнолом близ Неаполя, построенный в конце I в. до н. э. (рис. 3). При этом толченый бой отходов кирпича и черепицы, который добавлялся также в качестве гидравлической добавки и позднее получил название пуццолан, стал применяться несколько раньше, чем добавки вулканического» происхождения. Есть сведения, что подобные добавки использовались на Крите за много веков до римской цивилизации.

Рис. 3. Бетонный волнолом близ Неаполя

«Опус инцертум» все больше уступает место «опусу ретикула-ту». Появляется тенденция в качестве крупного заполнителя использовать обломки старых разрушенных зданий. Размеры камня в бетонных основаниях теперь всегда начинают превышать размеры его в бетонных стенах. Становится очевидным, что древние мастера уже обратили внимание на то, что качество бетона зависит от качества заполнителя. В это же время все большее распространение получает технология возведения бетонных сводов и куполов. Бетонные своды к тому времени уже достигают пролета 20—22 м, хотя и строятся преимущественно из тесаного камня или кирпича.

В правлении римского императора Августа начинается расцвет бетонного строительства — второй его период. В это время в Риме возводится ряд крупных общественных зданий. Грандиозное строительство было неотъемлемой частью политической программы новой монархии. Рим как столица, центр империи, должен был быть хорошо украшен. Кроме того, он должен был вместить огромные массы людей.

В I в. н. э. население Рима составляло более одного миллиона человек. Для такого огромного города необходим был целый ряд мер по благоустройству, проведению водопроводов, дорог, жилых и общественных зданий. Это требовало, с одной стороны, достаточно высокого уровня практических и теоретических строительных знаний, а с другой — прочного и долговечного материала. Всем этим требованиям лучше всего отвечал бетон.

В конце I в. до н. э. возводятся первые крупные общественные постройки с монолитными бетонными стенами и фундаментами — театры в Помпеях и Риме (в частности, известный театр Марцелла — 17 г. до н. э.). Есть сведения, что основания отдельных мостов, которые довольно интенсивно строились в тот период, также были бетонными.

К этому времени в основном стандартизируется состав бетонной смеси и технологии его приготовления. Так, крупный заполнитель уже представлял собой камни размером до 100 мм, песок просеивался и для различных работ строго подразделялся по происхождению. Нередко в качестве крупного заполнителя использовали битую черепицу, называя в этом случае бетонную массу «структура цистациа» (structure cistacea).

Впоследствии бетон почти полностью вытеснил дерево и каменную кладку из прямоугольного камня, используемую при возведении арок и сводов, и лишь при строительстве наиболее ответственных сооружений, например мостов, по-прежнему использовалась каменная кладка, так как полного доверия к бетону пока не было.

Примерно с середины 60-х годов I в. н. э. в правление Нерона архитекторами Севером и Целером в Риме сооружается громадный по размерам «золотой дом Нерона», где бетон с большим успехом используется при возведении стен, сводов и куполов (рис. 4).

Рис. 4. Восьмиугольный зал «Золотого дома Нерона»

В 90-х годах 1 в. н. э. был открыт Колизей, построены термы и триумфальная арка в честь побед Тита, где мощный пятиметровый фундамент был выполнен из трамбованного бетона. В то же время архитектором Рабирием воздвигнут грандиозный Дворец на Палатине, своды которого представляли собой кирпичный каркас, заполненный бетоном. К концу I в. н. э. бетон занял в строительстве лидирующее положение среди основных конструкционных строительных материалов.

Со II в. н. э., начиная с правления Траяна и позднее Адриана, расширяется строительство инженерных сооружений из бетона. Однако особое место бетону, как и прежде, отводится при возведении общественных и жилых зданий, особенно при постройке так называемых инсул — многоэтажных домов. Среди них особое место занимает показательное строительство жилого комплекса с типовыми трех-четырех этажными инсулами в Остии.

Облицовка из плоского кирпича и черепицы в то время почти полностью вытесняет «ретикулат». Так выполнены термы Траяны, Торговые ряды Траяна в Риме и Вилла Адриана (рис. 5—8). Часть набережной Тибра в период правления этого императора также была изготовлена из бетона с облицовкой методом «ретикулат» и чередующимися рядами кирпича.

Рис. 5. Торговые ряды Траяна с бетонным сводом
Рис. 6. Торговые ряды Траяна с бетонным сводом

В 123 г. заканчивается в Риме строительство Пантеона, раз-, мер бетонного купола которого диаметром 43 м до XIX в. оставался рекордным для данного типа бетонных конструкций. Основные строительные работы по Пантеону были выполнены при императоре Адриане. Именно при нем строительство из бетона достигает своего наивысшего расцвета, начинается третий период его развития.

Рис. 7. Вилла Адриана. Вестибюль «Золотой площади»

В Британии, Северной Африке, Германии, Испании — во всех римских провинциях прокладываются дороги, строятся многочисленные оборонительные сооружения, жилые и общественные здания. Бетонные своды этих построек имели несколько другое конструктивное решение, чем прежде. Они выполнялись не в виде кирпичных арок, заполненных бетоном, а в виде сплошного каркаса из кирпича, уложенного плашмя по деревянным доскам, на который поверху набрасывался бетон.

После смерти Адриана намечается постепенный спад бетонного строительства. Это было закономерно и связано с начавшимся политическим и экономическим кризисами, которые на протяжении последующих 2,5—3 столетий сотрясают древнеримское рабовладельческое государство.

На общем фоне упадка, несомненно, были отдельные периоды подъема строительного дела. В это время построены термы Каракаллы и Домициана, где бетон был применен в стенах, Сводах и бассейнах для купания. В 268 г. был закончен большой храм Минервы Врачевательницы (Minerva Medica). Ее сферический бетонный купол имеет весьма любопытную конструкцию. Каркас свода храма состоит, по мнению французского ученого Шуази, из меридиональных кирпичных арок, пространство между которыми заполнено бетоном.

Рис. 8. Центральная стена на вилле Адриана

Бетон, хотя и в более ограниченном количестве, продолжал применяться вплоть до IV в. н. э. Наиболее выдающиеся сооружения этого периода условно — четвертого периода — термы Диоклетиана, базилика Максенция и трехпролетная арка Константина (рис. 9-10).

Рис. 9. Арка КонстантинаРис. 10. Арка Константина

Последние примеры использования бетона в античный период можно встретить в Константинополе, куда в начале IV в. н. э. переместилась столица римского государства. Так, в частности, нижние части сводов и арок знаменитого Софийского собора в Константинополе, построенного в 540 г., были сделаны из бетона. В последующий период строительство из бетона практически прекращается.

Клей для бетона

Долговечность римского бетона поразительна. Можно лишь удивляться, глядя на отдельные древнеримские здания и сооружения, простоявшие почти 2000 лет. Даже их развалины поражают наше воображение. Сегодня мы имеем более прочные цементы для бетона, чем слабые известковые вяжущие вещества Римлян, прогнозируем работу железобетонных конструкций на много лет вперед, и все-таки у нас нет полной уверенности, что современные бетонные и железобетонные сооружения выдержат без разрушения хотя бы 100 лет эксплуатации. Почему же стоят бетонные сооружения римлян? Вероятно, они владели какими-то секретами, которые со временем были утрачены? Попробуем разобраться в этом сложном вопросе. Правда, для этого нам потребуется пройти по всей длинной технологической цепочке приготовления и производства римского бетона.

Для того чтобы каменный скелет превратился в монолитный искусственный камень, нужен прочный и желательно дешевый клей. В качестве такого клея, а точнее — его основного компонента, римляне использовали воздушную известь, хотя были случаи применения гидравлической извести и вяжущего типа роман-цемента.

Известь получают из обычного известняка, известняка-ракушечника, мела, мергеля — т. е. всех тех горных пород, в которых основным компонентом является кальцит. Серый бутовый камень, из которого выкладывают фундамент, мрамор, мел — все они в большей или меньшей степени содержат .кальцит. В зависимости от его относительного содержания известняки, например, называются чистыми (не менее 98% кальцита) и мергелистыми. Древние строители предпочитали чистые белые известняки, считая, что именно из них можно получить наиболее качественное вяжущее вещество.

Однако известняк еще не известь, и им невозможно склеить камни или кирпичи. Для этого он должен пройти длинный путь последовательных превращений — обжиг, дробление и гашение в воде…

За несколько тысячелетий до новой эры люди научились получать готовую известь из известняка. Со временем объемы строительства из камня и кирпича росли и требовали все больше и больше извести, поэтому вместе с увеличением выпуска кирпича и камня росла и совершенствовалась технология получения извести. Особенно больших, успехов достигли в этом деле, древние римляне.

Марк Порций Катон (234—149 гг. до н. э.), консул и цензор Римской Республики, примерно в 160 г. до н. э. описал устройство печи и процесс обжига известняка. По его данным печь имела форму усеченной пирамиды с шириной внизу 2,96 м, вверху 0,79 м и высотой 5,92 м. Устраивалась она обычно на крутом склоне холма, чтобы не мешал ветер. Иногда к печи пристраивали выступающую над поверхностью земли верхнюю часть, что увеличивало объем и улучшало тягу. Топку отделяли от пространства, занятого камнем, колосниковой решеткой, препятствующей падению камня в огонь. На рис. 11-12 приведен разрез римской известковообжиговой печи.

Рис. 12. Римская печь для обжига известняка

В 60-х годах XX в. при прокладке автомобильной дороги Шванмейн — Эйфель (ФРГ) были обнаружены шесть римских печей для обжига известняка. Все они имели примерно одинаковые размеры, а по форме напоминали печи, описанные Катоном. Средний диаметр печей составлял три метра, а высота немногим более четырех метров. Одна из печей была реконструирована и на ней проведен опытный обжиг местного известняка по римской технологии. Обжиг продолжался примерно одну неделю, а выход готовой обожженной извести составил порядка 15 м3.

Основное внимание при производстве извести римляне уделяли выбору сырья. Катон рекомендовал для этого белый, наиболее чистый известняк, не считая пригодным пестрый, содержащий глинистые примеси материал. Этого же мнения придерживались Витрувий, Плиний и Палладий (IV в. н. э.). Известняк обжигали при температуре порядка 900° С. При этом окончание процесса обжига определяли по уменьшению количества дыма в пламени.

Римляне различали три вида извести: негашеную, погашенную в тесто, которая употреблялась при отделочных работах, и погашенную в порошок, идущую исключительно для кладки стен.

Для изготовления кладочных растворов обожженную и измельченную в небольшие куски воздушную известь гасили водой так называемым сухим способом. Для этого известь погружали в воду и затем рассыпали на воздухе или укладывали ее слоями, которые затем опрыскивали водой и покрывали слоем песка для сохранения выделяемого тепла, способствующего гашению. Эти способы, применяемые порой и теперь, не обеспечивали полноты гашения, так как оставляли в порошке более крупные, неразмешанные и непогасившиеся зерна извести. Для штукатурных работ известь затворяли избыточным количеством воды задолго до употребления и выдерживали в ямах до полного гашения. Образующееся тесто тщательно секли острыми металлическими секирами и перемешивали (рис. 13) до равномерно жирной и «липкой» консистенции.

Рис. 13. Римский легионер, перемешивающий известковый раствор

Витрувий справедливо считал, что без этого кусочки недожженной извести не успевают погаситься до начала работ будут продолжать гаситься в штукатурке, образуя дутики, которые приведут к поверхностным разрывам и трещинам. Для наиболее ответственных работ и приготовления специальных замазок (мальт) известь гасили не водой, а вином, перетирая со свиным салом и смоквой. Обычно римские законы не разрешали; применять известь, гашенную менее чем за три месяца до начала строительства. Особенно тщательно и долго гасили известь, предназначенную для штукатурных работ. У древних строителей существовали специальные правительственные постановления, запрещающие употребление гашеной извести раньше истечения нескольких лет со дня затворения ее водой. Плиний Старший упоминает в своей «Естественной истории» о том, что древние законы о сооружениях запрещали применять для штукатурки известь, гашенную менее чем за три года до начала строительства. В то время считали, что, «…чем старее известь, тем лучше». Этим, по мнению Витрувия, достигалась надежность гашения, от которой зависела прочность сооружения.

К XIX в. сроки гашения извести намного сократились, но многие строители придерживались старых правил, считая законы древних строителей непогрешимыми. Так, русский зодчий Ф. М. Казаков при постройке здания Сената в Кремле приказал выдерживать известь в творильных ямах до шести месяцев, а Д. Жилярди считал, что этот срок должен быть около двух недель. Впоследствии время выдержки извести было уменьшено до трех дней, а сегодня известь гасят за несколько часов, используя для этой цели специальные установки-гидраторы.

Качество извести проверялось государственными контролерами при помощи небольшой лопатки, которую погружали в известковое тесто. Если после выдергивания лопатки на ней оставались отдельные комки, считалось, что известь еще не созрела для производства работ. Если же лопатка выходила из теста сухой и чистой, это показывало, что известь утратила свои вяжущие свойства. И только когда при вытаскивании лопатки к ней прилипал по всей поверхности ровный слой известкового теста, известь считалась годной к употреблению. Интересно, что Витрувий был первым, кто сделал попытку теоретически обосновать процесс обжига и твердения извести. Его объяснение сводилось к взаимодействию четырех первичных элементов, из которых состоит материя — земли, воды, огня и воздуха. Сегодня многим такое объяснение покажется наивным и даже смешным. Однако не следует забывать, что Витрувий описал это явление 2000 лет назад, и еще долго после него сущность процесса обжига известняка оставалась неясной. Первые научные объяснения такому взаимодействию химических элементов дал в 50-х годах XVIII в. Дж. Блэк. Процессы же твердения современных кальциевых цементов исчерпывающе не разъяснены и поныне.

Прошли века, но принцип получения извести, отработанный древними римлянами, остался прежним. Изменилась лишь технология ее получения и гашения. На смену кустарному производству пришли автоматизированные заводы с большой производительностью, позволяющие получать продукт, однородный по составу, с улучшенными характеристиками.

Однако при рассмотрении технологии получения извести из известняка мы не продвинулись по пути расшифровки римского секрета… С этой целью познакомимся с различными качественными превращениями известняка, описанными в следующем разделе.

Пять чудесных превращений

Попробуем проследить основной путь превращения белого чистого известняка в прочный и плотный камень с современных научных позиций.

Если обжигать куски добытого в карьере известняка на сильном огне, то из камня по мере подъема температуры будут последовательно выделяться вода и углекислый газ с образованием Углекислоты. При температуре порядка 900°С из известняка выделяется безводный продукт оксида кальция, т. е. белые куски негашеной извести. Это первое превращение известняка.

Следует очень осторожно обращаться с этими белыми камнями, так как негашеная известь способна разъедать руки, одежду, обувь. Она «съедает» все, как серная кислота. Если, же на груду камней извести вылить ведро воды, известь зашипит, закипит, вздуется и над ней поднимется густой белый пар. Белые куски извести быстро превращаются в мелкий порошок. Через минуту кипение прекратится. Известь из негашеной превратилась в гашеную, а полученный порошок — в так называемую «пушонку».

Пушонка — сухой на ощупь порошок. Вылитая на негашеную известь вода химически соединилась с ней. Произошло второе превращение известняка.

Смешаем еще раз пушонку с водой. Кипеть, т. е. гаситься, она уже не будет, а просто превратится в тесто с техническим названием гидроксида кальция. Чем больше добавлять в него воды, тем более жидким становиться известковое тесто. Если это тесто плотно закрыть сверху грунтом, то оно не затвердеет десятки лет и при этом еще станет очень пластичным, наподобие сливочного масла. Если же тесто оставить на воздухе, то оно скоро покроется твердой корочкой и постепенно окаменеет. Жидкое тесто — третье превращение известняка. Это почти готовый клей. Слово «почти» означает, что таким тестом нельзя хорошо склеить кирпичи или камни, так как чистое известковое тесто быстро рассохнется и растрескается. Чтобы этого не произошло, необходимо тесто смешать с песком. Такая смесь будет называться известковым раствором, а процесс перехода растворной смеси в твердый камень — четвертое и одновременно пятое превращение известняка. Это наиболее важный и сложный этап при твердении гашеной извести.

Переход известкового раствора или бетона в камень-известняк или карбонат кальция известен как карбонатное твердение известковых вяжущих веществ. При обычной температуре он складывается из двух одновременно протекающих процессов: испарения свободной воды из известкового теста (четвертое превращение), с постепенным образованием кристаллического каркаса из гидроксида кальция (пятое превращение).

Процесс кристаллизации гидроксида кальция протекает весьма медленно. Испарение воды вызывает постепенное слипание его мельчайших частиц в более крупные и их кристаллизацию. Растущие кристаллы срастаются между собой, образуя известковый каркас, который окружает частицы песка.

Эти два процесса протекают почти одновременно и проходят достаточно интенсивно только в присутствии влаги и углекислого газа.

Пленка углекислого кальция, образующаяся в первый период твердения раствора на его поверхности, затрудняет попадание углекислоты во внутренние слои гидроксида кальция. В результате процесс карбонизации почти приостанавливается, и твердение камня идет, главным образом за счет кристаллизации, при которой необходима пониженная влажность и положительная температура.

В результате образования слабых кристаллических сростков прочность раствора на воздушной извести получается очень незначительной и к 28 сут твердения составляет в среднем 0,5 МПа. Помимо этого полученное соединение не стойко к воде и морозу. Правда, впоследствии в результате протекающего процесса карбонизации, прочность такого раствора и бетона увеличивается в 5—7 раз и более, но сам процесс протекает очень медленно — на протяжении десятков и сотен лет.

Очевидно, что римлян с их интенсивным строительством не устраивала не только низкая прочность бетонов и растворов на воздушной извести, но и то, что они твердели только на воздухе и не могли твердеть в условиях влажной среды. Потребности в гидравлических вяжущих веществах подтолкнули античных строителей к выявлению принципиально новых добавок для бетонов и растворов, с помощью которых можно было избавиться от перечисленных недостатков.

Сегодня мы хорошо знаем, что для того чтобы улучшить качество бетонов и растворов на воздушной извести, надо слабый и растворимый в воде гидроксид кальция (известковое тесто) перевести в более стойкое и нерастворимое соединение, например, в гидросиликат кальция. Для этого необходимо добавить в него активный кремнезем. Реакция в этом случае идет только в присутствии воды, хотя полученное новое соединение — гидросиликат кальция — почти не растворяется в воде. Активный кремнезем в отличие от пассивного — обыкновенного кварцевого песка, получил название гидравлической добавки за свою способность твердеть и набирать прочность не только на воздухе, но и в воде.

Римляне, конечно, не подозревали о сложных процессах, происходящих при смешивании воздушной извести с гидравлической добавкой, но, используя опыт этрусков и греков, они хорошо знали, что если к известковому тесту добавить не просто обыкновенный песок и камни, а кирпичный песок и кирпичные камни, то такое соединение будет способно твердеть в воде, а полученный при этом искусственный камень окажется гораздо прочнее, чем бетон или раствор на одной воздушной извести с обыкновенным песком и галькой. Впоследствии кирпичную или черепичную добавку стали называть цемянкой.

Обычно цемянку применяли в виде тонкомолотого порошка или пыли для водонепроницаемых штукатурок, бетонных полов и подобных покрытий, главным образом в сырых местах. Кроме этого, ее использовали в виде муки в штукатурках водопроводных каналов, давильных площадок для вина и резервуаров виноделен, рыбозасолочных ванн, а также для защиты бетонных сооружений от износа и разрушения.

Помимо цемянок, т. е. искусственных гидравлических добавок, Римляне широко применяли естественные добавки вулканического происхождения. Им даже приписывали честь открытия этих добавок, точнее, их действия на воздушную известь, так как вулканические камни использовались в строительной практике очень давно.

Витрувий в кн. II, гл. 6 описывает эти добавки следующим образом: «…существует определенный порошок естественного происхождения, используя который можно добиться великолепного результата. Его находят в Байях и в землях, вокруг Везувия. Это вещество при смешивании с известью и камнем не только придает прочность сооружению, но даже при устройстве дамб в открытом море прочно схватывается под водой».

К таким добавкам относились: санторинская земля, добываемая на греческом острове Тире, рейнский трасс, расположенный на территории Германии, и туфф, залегающий мощными пластами почти по всей Италии. К ним также относились многие другие горные породы вулканического происхождения, получившие общее название пуццоланы.

Особенно широкое применение получили такие добавки, залегавшие в районе древних Путеол (совр. Поццуоли). Однако название свое — пуццолана, ставшее родовым для всех гидравлических добавок вулканического происхождения, они получили не поэтому, а потому что широко использовались в строительстве очень важного для древней Италии порта в Путеол ах, бывшего к тому же долго центром торговли пуццоланой. Впервые термин «pulvis puteolanus» встречается у философа Сенеки (4 г. до н. э.— 65 г. н. э.) в его труде «Естественно-научные вопросы», и упоминается Плинием Старшим.

Одним из первых сооружений, при строительстве которого была использована пуццолана в качестве гидравлической добавки в бетон, был волнолом в окрестностях Неаполя близ Путеол, сохранившийся до наших дней (см. рис. 6). Несмотря на то, что туфовые блоки из этого волнолома подверглись эрозии, сам пуццолановый раствор между ними хорошо сохранился.

В зависимости от назначения раствора или бетона римляне применяли различные соотношения между известью и пуццоланой. Однако наиболее распространенным был состав 1:2 — на 1 часть извести, 2 части пуццоланы. Прочность такого бетона, вероятно, составляла 5—10 и более МПа.

Итальянскую пуццолану, как и греческую санторинскую землю, в большом количестве применяют и теперь в гидротехническом строительстве в разных странах. На Канарских островах, где пуццолана, как и в Италии, встречается повсеместно, соотношение между известью и пуццоланой принималось 1:5. Из бетонов таких составов построены гидротехнические и ирригационные сооружения, которые стоят в течение многих веков.

Воздушная известь в сочетании с пуццоланой и другими гидравлическими добавками была практически единственным гидравлическим цементом того времени, поскольку гидравлическая известь и роман-цемент применялись, как полагает большинство ученых, эпизодически и в ограниченном количестве. Таким образом, в применении гидравлической добавки к воздушной извести заключена одна из главных отгадок секрета долговечности римского бетона. Американские ученые уже давно заинтересовались этим вопросом и в середине 70-х годов нашего века получили новое вяжущее — геополимерный цемент — аналог древнеримского известково-пуццоланового вяжущего. По мнению зарубежных специалистов, новые цементы более долговечны и прочны, чем современные портландцементы.

Рецепты римского бетона

Когда инженеры-строители начинают профессиональный разговор о бетоне, то их в первую очередь интересует его прочность, отношение к морозу и воде. Для того чтобы бетон и бетонные сооружения обладали всеми требуемыми характеристиками, необходимо точно знать рецепт бетона — состав, т. е. соотношение всех его компонентов. В конечном виде состав бетона записывают в виде весового или реже объемного соотношения, например, 1:2:4 (цемент:песок:щебень или гравий), т. е. на одну часть цемента приходится две части песка и четыре части щебня или гравия. Определив заранее расход цемента и воды, можно, пользуясь указанным соотношением, легко вычислить расход каждого из заполнителей. Однако перед тем, как подойти к рецептам для бетона, необходимо выяснить еще один важный вопрос — роль заполнителей — песка и крупных камней в бетоне. Как они влияют на свойства бетона, да и нужны ли они вообще в бетоне?

Сразу же необходимо сказать, что без заполнителей нельзя изготовить бетон. Присутствие их в бетоне, как было установлено, значительно улучшает строительно-технические свойства материала и, в первую очередь, такие, как водонепроницаемость, Деформативность и прочность. Кроме того, заполнители намного Дешевле вяжущих веществ, поэтому экономически более выгодно, чтобы в бетонной смеси их было как можно больше.

Несомненно, что, начав работать с бетоном, римляне не могли Не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже с середины I в. до н. э. вводится классификация заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в Зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов. Так, по виду и условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало.дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.

Витрувий в кн. II, гл. 4 писал о том, что «…Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ — очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.

Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,— пишет Витрувий (кн. II. гл. 4), — и оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность…»

Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «…Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен…» (Витрувий, кн. II, гл. 4).

Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в заполнителе, тем меньше требуется вяжущего вещества для получения плотного бетона.

О том, что римляне придавали большое значение зерновому составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных в наше время. Так- при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель,с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров. Следует также отметить частое использование дробленого щебня, причем «…не тяжелее фунта» (т. е. 327 г), как требует этого Витрувий.

Вероятно, к началу I в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными примерами. Так, при строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов: для фундаментов — плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы, для стен — более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях — легкая пемза и туф.

Теперь вновь обратимся к составу бетона — его рецептуре. Вероятно, нет необходимости убеждать читателя в том, что из одних и тех же продуктов разные повара могут приготовить разные по вкусу блюда. Зависеть это будет, в первую очередь, от соотношения продуктов, которые будут закладываться в кастрюлю. Подобное происходит и с приготовлением бетона. Можно представить, какими искусными «кулинарами» должны были быть античные мастера-строители, если, не имея под рукой механизированного оборудования и даже элементарных весов они получали достаточно качественные по составу бетоны и растворы.

О выборе состава раствора в зависимости от назначения и вида применяемого песка имеются определенные указания Витрувия и других античных авторов. Относительно же состава бетона таких указаний ни у кого из них нет, за исключением туманных рекомендаций Плиния Старшего. Однако, если вспомнить, как готовился бетон в Древнем Риме, станет ясным, почему там не было специальных рекомендаций о его составе.

Бетон в то время приготавливали в основном раздельным способом, т. е. отдельно в специальных емкостях замешивали известковый раствор и укладывали его слоями в опалубку, чередуя со слоями крупного заполнителя. Поэтому, если состав раствора был необходим в первую очередь для получения требуемой консистенции смеси и всегда указывался в правилах производства работ, то количество щебня или гальки, по-видимому, играло второстепенную роль, и поэтому не учитывалось. Правда, в отдельных видах гидротехнических работ количество щебня в общем объеме бетона все-таки задавалось. Так, Плиний приводит состав гидротехнического бетона из извести, пуццоланы и битого туфа в пропорции 1:2:1. Другой вид бетона без указания состава, Употреблявшийся для постройки цистерн состоял, по Витрувию, из чистого песка, щебня или булыжника весом не более одного Фунта и самой хорошей извести.

Можно предположить, что в то время уже существовали элементарные методы расчета состава раствора, так как римлянам были хорошо известны способы определения объема различных геометрических фигур и они могли рассчитывать общее количество раствора и бетона на любой заданный объем. Вяжущее вещество и заполнители принимались в зависимости от назначения работ в соотношениях, указанных выше, а количество воды подбиралось «на глаз». При этом важно подчеркнуть, что римляне были хорошо осведомлены о том, что избыток воды в смеси всегда нежелателен, на что указывал, в частности, Плиний. Воду поэтому, скорее всего, заливали в смесь не всю сразу, а постепенно, доводя раствор до требуемой консистенции.

С тех пор как в конце XVIII в. в Европе появились первые машины по испытанию материалов, стали испытывать и образцы римского раствора и бетона, отобранные из различных сооружений. Правда, было обнаружено, что данные имеют немалый разброс, который усугубляется различным сроком службы сооружений — в пределах 50—350 лет. Однако отдельные выводы по результатам испытаний сделать можно. Можно предположить, что активность древнеримских вяжущих в зависимости от их вида была в пределах 0,5—15 МПа: в частности, для воздушной извести 0,5—1 МПа; для гидравлической 1,5—2 МПа; для известково-цемяночного и известково-пуццоланового цемента 3— 10 МПа и вяжущего типа романцемента 5—15 МПа.

Очевидно, что производимые в то время бетоны также обладали различной прочностью в зависимости от вида вяжущего, водовяжущего отношения, тонкости помола пуццолановых добавок и других трудно учитываемых факторов.

В 80-х годах нашего века западногерманские ученые провели серию испытаний бетонных образцов, взятых в районе Кельна, Зальбурга и других городов Западной Германии — бывшей римской провинции. Бетонные образцы были отобраны из стен домов, сводов зданий, стен бассейнов и других сооружений. При этом было обнаружено, что прочность на сжатие бетонных образцов имела от 0,5 до 50 МПа в зависимости от вида сооружений, хотя преобладающей оказалась прочность порядка 7—12 МПа. Максимальное значение прочности — 50 МПа — обнаружено У бетонных полов. Стены и своды зданий показали гораздо меньшую прочность, а бетон из стен бассейна — всего 5 МПа. Это свидетельствует о том, что римляне, изготавливая водонепроницаемые сооружения, не стремились получить при этом прочный бетон.

Основываясь на многочисленных описаниях римских сооружений и результатах испытаний, можно предположить, что римские бетоны в зависимости от вида применяемого вяжущего и заполнителя имели среднюю плотность от 700 до 2200 кг/м3, водопоглощение 5—20% и пористость порядка 20—40%.

Несмотря на такие большие диапазоны значений физико-механических показателей испытанных образцов, большинство римских бетонных сооружений оказались долговечными. Это подтверждает вывод отдельных исследователей о том, что ни прочность, ни пористость бетона не могут служить основным критерием при определении его долговечности. Вероятно, значения этих показателей наиболее важны в течение первых лет работы конструкции, а в дальнейшем они нивелируются.

Сегодня трудно оценить и проанализировать составы римского бетона только по соотношению их компонентов при большом количестве неизвестных, тем более, что данные относительно действительного состава бетона и его структурных характеристик у многих исследователей вызывают сомнения. Можно лишь утверждать, что хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подобранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.

Секрет долговечности римского бетона

Мы подошли к одному из самых главных технологических процессов при производстве бетонных изделий — формованию, которое в современном понимании этого слова включает устройство опалубки, укладку и уплотнение бетонной смеси.

Как уже было сказано, для возведения бетонных стен они обычно применяли каменную опалубку, которая, по мнению большинства ученых, одновременно выполняла роль облицовки. Такое мнение является распространенным, но не единственным, так как некоторые исследователи полагают, что каменная стена, выполняющая роль облицовки, возводилась лишь после твердения бетонного ядра.

Римляне употребляли самые различные виды каменной опалубки-облицовки: неправильную (инцерт), правильную из камней (ретикулат), правильную из кирпича (тестациум) и смешанную (микстум), т. е. с использованием камней и кирпичей (рис. 14).

Рис. 14. Виды каменной опалубки-облицовки

В качестве материала для опалубки использовались или довольно крупные бутовые камни естественной формы с «инцертом» На фасаде (рис. 15), или камни, образующие правильный рисунок — «ретикулат».

Рис. 15. Разновидность «инцерта» — смешанная кладка

В этом случае опалубка представляла собой кладку из квадратных тесаных камней относительно небольшой величины, укладываемых так, что их стороны образовывали к горизонту угол в 45°. Полученный таким образом сетчатый рисунок придавал стене красивый вид. В качестве примера можно привести волнолом в Неаполе (см. рис. 3), развалины виллы Адриана, остатки терм Диоклетиана в Риме и многие другие сооружения. Использовалась также опалубка из больших квадратных или прямоугольных камней, расположенных своими сторонами под прямым углом к горизонту (рис. 16).

Рис. 16. Опалубка из прямоугольных камней с уложенными в нее слоями бетона

Разновидностью «ретикулата» был «опус спикатум» (spicatum), т. е. укладка камней или кирпичей в виде колоса или елочки или с частичным употреблением «ретикулата» и кирпичей (рис. 17).

Рис. 17. Пример смешаной кладки «ретикулат» с кирпичом

В I в. н. э. на смену «ретикулату» приходит облицовка из обожженного плоского кирпича треугольной или любой другой формы. Стена с такой облицовкой выглядела более просто, чем «ретикулат», однако сцепление кирпичей с бетонной смесью было более надежным, а все сооружение более монолитным. Острые концы таких кирпичей были направлены в сторону бетонного ядра для лучшего закрепления в нем (рис. 18). Такие виды опалубок-облицовок, называемые — «опус тестациум» (opus testacium), стали особенно популярны после Тиберия (14—37 гг.), когда «опус тестациум» изготавливались централизованно и регулярно обеспечивали стройку. Иногда ряды таких кирпичей чередовали с рядами тесаного камня, уложенного по форме «ретикулата».

Рис. 18. Римская бетонная стена с опалубкой-облицовкой из треугольного кирпича

По мере перехода от одного вида опалубки-облицовки к другому менялся не только внешний вид, но и качество сооружений. При этом не всегда в лучшую сторону. Так, после того как на смену «инцерту» пришел «ретикулат», сцепление камней с бетоном ухудшилось. По словам Витрувия, такая сетчатая кладка, несмотря на более привлекательный вид, легче давала трещины «…из-за того, что неперерезанные постели и швы кладки расходятся во все стороны. А при кладке неправильной формы камни, перекрывая друг друга и заходя один за другой, придают ей хотя и не очень приятный вид, но зато обеспечивают большую прочность, чем при сетчатой».

Для более прочного сцепления кирпича опалубки с бетоном римляне специально изготавливали кирпич с одной стороны шероховатым, пористым, а с другой — гладким и блестящим.

Во времена Тиберия в качестве внешней облицовки стали использовать также специально приготовленную черепицу, кромки и концы которой хорошо обеспечивали сцепление ее с бетоном. При этом черепица готовилась в специальных формах, после чего ее можно было с помощью удара молотка разбить на две или несколько одинаковых керамических деталей заданных размеров.

Всестороннее и длительное использование каменной и кирпично-черепичной кладки в качестве постоянной опалубки-облицовки, вероятно, было оправдано стремлением римлян придать привлекательность внешнему виду своих бетонных сооружений.

Помимо каменной опалубки широко применялась деревянная — в виде струганых досок и деревянных щитов, о чем упоминается в работах Витрувия и многих археологов.

В особую группу входила опалубка сводов и куполов, так как ее устройство считалось наиболее сложней работой в процессе строительства. Опалубка для сводов и куполов делалась деревянной и устраивалась по деревянным кружалам, которые в зависимости от пролета свода опирались или на опоры-выступы, специально оставляемые в стене в процессе строительства, или на деревянные леса. Она нередко имела сложную конфигурацию, в которой плотники должны были воплотить замысел архитектора. Конструкция такой опалубки зачастую усиливалась кирпичными каркасами (рис. 19), промежутки между которыми заполнялись бетонной смесью.

Рис. 19. Опалубка с кирпичным каркасом в виде арок (по Шуази)

С целью экономии древесины римские инженеры использовали оригинальный способ изготовления массивных перекрытий: вначале с помощью легкой деревянной опалубки сооружался тонкий бетонный свод, а затем по нему производили последующее бетонирование всего перекрытия.

После возведения опалубки приступали к бетонированию сооружения. Это была относительно простая, но крайне тяжелая физическая операция, так как от того, как уложена и уплотнена бетонная смесь, зависят все основные свойства бетона.

Сегодня нам хорошо известно, что если бетонную смесь недоуплотнить всего лишь на 1%, то прочность его понизится на 5%. Если же недоуплотнение составит 5—10%, то прочность соответственно упадет на 30—50%. В современном строительстве такое положение считается недопустимым, поэтому уплотнению смеси уделяют серьезное внимание, применяя многочисленные виды бетоноформовочного оборудования, в основе которого в большинстве случаев лежит эффект вибрации.

Римляне не использовали вибрацию, но, видимо, хорошо понимали, насколько важно тщательно уложить и уплотнить бетонную смесь. В начальный период применения бетона они использовали хаотичную, беспорядочную укладку известкового раствора с большими камнями, что в наше время напоминает бутовую кладку с «изюмом», когда производится набрасывание больших бутовых камней в заранее уложенный раствор. Затем появляется более упорядоченный, послойный метод укладки растворной смеси и крупного заполнителя. Уплотнение бетонной смеси производилось ими с помощью трамбования или без него.

Трамбование осуществлялось следующим образом: вначале на небольшую высоту возводилась опалубка из крупных тесаных камней, назначение которых заключалось в том, чтобы за счет своей большой массы сдерживать боковое давление бетонной смеси и ударов трамбовок. Затем, видимо, в опалубку укладывался слой раствора толщиной 10—15 см, а поверх него набрасывался щебень крупностью 8—10 см (см. рис. 17). Возможно, щебень укладывался раньше раствора.

В качестве щебня использовались куски плотного туфа либо обломки черной лавы, добывавшиеся в карьерах, которые располагались неподалеку от строительной площадки. Когда слой щебня достигал приблизительно такой же толщины, как слой раствора, его начинали трамбовать тяжелыми деревянными трамбовками, обитыми железом. Трамбование продолжалось, видимо, до тех пор, пока сверху не появлялся раствор, заполнявший пустоты между щебнем. Затем снова укладывался раствор, посыпался щебнем, трамбовался, и процесс повторялся. Так вместе с ростом опалубки вырастала стена из монолитного бетона. При этом каждый законченный слой посыпался каменной крошкой и пылью, оставшейся после отески камней. Эта пыль, вероятно, предназначалась для того, чтобы бетонная смесь не прилипала к ногам и трамбовкам рабочих, хотя, по мнению архитектора А. Башкирова, пыль служила специальным «прокладочным», антисейсмическим слоем.

Такой же способ укладки бетона применялся при строительстве подземных частей зданий, например, фундаментов, где опалубкой служили деревянные щиты, установленные по длине вырытой траншеи, раскрепленные изнутри поперечными и продольными брусьями (рис. 20). В случае постройки фундаментов на плотных грунтах вулканического происхождения, которыми так богата была римская земля, бетонная смесь укладывалась в траншею без опалубки, так как котлован или траншея сами по себе образовывали устойчивую форму, в которой было удобно укладывать и трамбовать бетон. Таковы подземные части цирка Салюстия, базилики Константина, зданий виллы Адриана и т. д.

Рис. 20. Бетон в деревянной опалубке (по Шуази)

Способ трамбования широко применялся при строительстве полов и дорог, на что в свое время указывали Варрон и Витрувий. При этом следует обратить особое внимание на то, что трамбование смеси, по словам Витрувия, обычно производилось «частыми ударами тяжелых трамбовок (посредством) большой группой Рабочих». Все это говорит о том, что древние строители (и не только в Древнем Риме) придавали большое значение тщательному уплотнению бетонной смеси. Даже наносимую на стены штука-турку рекомендовалось «бить гладилкой…» для придания ей большей плотности. Отсюда и качество штукатурки было такое, что «в нее можно было смотреться как в зеркало», а написанные на ней фрески можно было, по словам Плиния Старшего, вместе со штукатуркой переносить в любое место.

Интересным представляется также, что в отдельных случаях до начала укладки и уплотнения смеси ее предварительно подвергали усиленной механической обработке: «…рабочие группой в 10 человек толкли смесь деревянными бабами и только после такой обработки применяли в дело…» (Витрувий, кн. VII, гл. 3). Предварительная (до формования) активация бетонной смеси применяется и в наши дни. Так, сегодня известно несколько способов активации бетонной смеси, в том числе — механическая — виброактивация.

Другой способ производства бетонных работ выполнялся без применения трамбования и, вероятно, был распространен гораздо шире, чем первый. В качестве опалубки служили стены, выложенные из более мелких и легких, чем в первом случае, камней (кирпичей) кубической или треугольной формы. Толщина такой опалубки была намного меньше, чем в первом случае, так как давление, передаваемое бетонной смесью на стены, было значительно ниже.

В опалубку заливался небольшой слой раствора и на него сверху набрасывались камни, нередко достигавшие в поперечнике 12—17 см. При этом они зачастую укладывались только на постель, т. е. горизонтально. Такой вид кладки в какой-то мере напоминал современную бутобетонную, хотя и отличался от нее строгим чередованием слоев раствора и крупного заполнителя. Консистенция растворной смеси выбиралась, видимо, таким образом, чтобы крупный заполнитель погрузился в, смесь не больше, чем на определенную глубину, с тем, чтобы только заполнить пустоты между зернами щебня. Это подтверждается одинаковыми по высоте слоями щебня.

Для большей устойчивости обе стенки каменной опалубки по мере заполнения их бетонной смесью связывались специальными плоскими квадратными кирпичами из обожженной глины, размером 60X60 см и толщиной 4…5 см (см. рис. 19), которые укладывались обычно через 1,5…3 м по высоте стены, и поперечными деревянными брусьями.

Рассмотрев оба способа производства бетонных работ, следует еще раз подчеркнуть, что хотя они и были основными при изготовлении бетонных сооружений, но далеко не единственными. Различные их варианты использовались во всех концах Римской империи.

Таким образом, после относительно подробного анализа технологии формования римского бетона мы вновь подошли к вопросу о тайне так называемого древнеримского секрета долговечности бетонных сооружений.

Одним из первых, кто сделал попытку его объяснения, был французский архитектор Ж. Ронделе (1734—1829). После длительного изучения римских сооружений и проведения ряда опытов он пришел к выводу, что превосходное качество римских растворов и бетонов объясняется не какими-нибудь секретами гашения извести, ее составом или сроками выдерживания, как думали раньше, а лишь тщательным перемешиванием и хорошим уплотнением (трамбованием) свежеуложенной смеси. Действительно, опыты показали, что химический анализ римских растворов и бетонов не обнаруживает в их составе ничего необычного. При этом они характеризуются плотной структурой и часто содержат еще не полностью карбонизировавшуюся известь.

Современный английский исследователь Ф. Финкелдей после детального обследования отдельных частей римского бетонного акведука также пришел к выводу, что у римлян не было никаких особых секретов изготовления бетонных сооружений. По его мнению, долговечность достигалась применением известково-пуццоланового вяжущего и рационально подобранного соотношения вяжущего и заполнителя. При этом римляне использовали умеренное количество воды в бетонной смеси. Ф. Финкелдей был настолько поражен долговечностью и прочностью римских бетонных сооружений, что настойчиво призывал вернуться к их старым технологическим методам, используя аналогичный цемент и заполнители.

Можно ли согласиться с выводами Ж. Ронделе и Ф. Финкелдей, двух известных ученых-строителей, которых разделяет более чем столетний отрезок времени? Вероятно да, так как любой специалист-бетонщик, будь то античный строитель, энциклопедист типа Ж. Ронделе или исследователь наших дней, знает простые, но важные принципы получения бетона с заданными свойствами. Это тщательный выбор исходных материалов для бетона, перемешивание и усиленное уплотнение бетонной смеси.

Кроме того, для каждого типа конструкции римляне тщательно определяли вид бетона и неукоснительно соблюдали все технические условия. Как известно, они разработали значительное количество стандартов и строго им следовали. При их полувоенном государственном управлении и рабовладельческой системе хозяйства сомневаться в этом не приходится.

Видео

В сюжете — Учёные выяснили, в чём секрет долговечности древнеримских зданий

В сюжете — Бетон: вопросы и ответы

В сюжете — Учимся выбирать бетон, бетонные смеси и делать самостоятельно

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Замес бетона в бетономешалке — соотношение материалов

Источник

https://santekhnik-moskva.blogspot.com/2020/11/Rimskiy-beton.html

КЛЕЙ ДЛЯ БЕТОНА

Римский Бетон

Этому искусству уже много тысяч лет…

А. Куприн

Долговечность римского бетона поразительна. Можно лишь Удивляться, глядя на отдельные древнеримские здания и соору­жения, простоявшие почти 2000 лет. Даже их развалины пора­жают наше воображение. Сегодня мы имеем более прочные Цементы для бетона, чем слабые известковые вяжущие вещества Римлян, прогнозируем работу железобетонных конструкций на много лет вперед, и все-таки у нас нет полной уверенности, что современные бетонные и железобетонные сооружения выдержат : без разрушения хотя бы 100 лет эксплуатации. Почему же стоят бетонные сооружения римлян? Вероятно, они владели какими-то секретами, которые со временем были утрачены? Попробуем разобраться в этом сложном вопросе. Правда, для этого нам потребуется пройти по всей длинной технологической цепочке ; приготовления и производства римского бетона.

Для того чтобы каменный скелет превратился в монолитный ‘ искусственный камень, нужен прочный и желательно дешевый клей. В качестве такого клея, а точнее — его основного компо­нента, римляне использовали воздушную известь, хотя были случаи применения гидравлической извести и вяжущего типа роман-цемента.

Известь получают из обычного известняка, известняка-раку­шечника, мела, мергеля — т. е. всех тех горных пород, в которых основным компонентом является кальцит. Серый бутовый ка­мень, из которого выкладывают фундамент, мрамор, мел — все они в большей или меньшей степени содержат. кальцит. В зависимости от его относительного содержания известняки, например, называются чистыми (не менее 98% кальцита) и ; мергелистыми. Древние строители предпочитали чистые белые известняки, считая, что именно из них можно получить наиболее качественное вяжущее вещество.

Однако известняк еще не известь, и им невозможно склеить камни или кирпичи. Для этого он должен пройти длинный путь последовательных превращений — обжиг, дробление и гашение в воде…

За несколько тысячелетий до новой эры люди научились получать готовую известь из известняка. Со временем объемы строительства из камня и кирпича росли и требовали все больше и больше извести, поэтому вместе с увеличением выпуска кирпича и камня росла и совершенствовалась технология получения из­вести. Особенно больших, успехов достигли в этом деле, древние римляне.

Марк Порций Катон (234—149 гг. до н. э.), консул и цензор Римской Республики, примерно в 160 г. до н. э. описал устройство печи и процесс обжига известняка. По его данным печь имела форму усеченной пирамиды с шириной внизу 2,96 м, вверху 0,79 м и высотой 5,92 м. Устраивалась она обычно на крутом склоне холма, чтобы не мешал ветер. Иногда к печи пристраивали выступающую над поверхностью земли верхнюю часть, что увели­чивало объем и улучшало тягу. Топку отделяли от пространства, занятого камнем, колосниковой решеткой, препятствующей паде­нию камня в огонь. На рис. 12 приведен разрез римской известково — обжиговой печи.

В 60-х годах XX в. при прокладке автомобильной дороги Шван — мейн — Эйфель (ФРГ) были обнаружены шесть римских печей для обжига известняка. Все они имели примерно одинаковые

.■11Й

Размеры, а по форме напоминали печи, описанные Катоном. Средний диаметр печей составлял три метра, а высота немногим более четырех метров. Одна из печей была реконструирована и на ней проведен опытный обжиг местного известняка по римской технологии. Обжиг продолжался примерно одну неделю, а выход готовой обожженной извести составил порядка 15 м3.

Основное внимание при производстве извести римляне уделяли выбору сырья. Катон рекомендовал для этого белый, наиболее чистый известняк, не считая пригодным пестрый, содержащий глинистые примеси материал. Этого же мнения придерживались Витрувий, Плиний и Палладий (IV в. н. э.). Известняк обжигали при температуре порядка 900° С. При этом окончание про­цесса обжига определяли по уменьшению количества дыма в пламени.

Римляне различали три вида извести: негашеную, погашенную в тесто, которая употреблялась при отделочных работах, и по­гашенную в порошок, идущую исключительно для кладки стен.

Для изготовления кладочных растворов обожженную и измель­ченную в небольшие куски воздушную известь гасили водой так называемым сухим способом. Для этого известь погружали в воду и затем рассыпали на воздухе или укладывали ее слоями, которые затем опрыскивали водой и покрывали слоем песка для сохранения выделяемого тепла, способствующего гашению. Эти способы, применяемые порой и теперь, не обеспечивали полноты гашения, так как оставляли в порошке более крупные, неразмешанные и непогасившиеся зерна извести. Для штукатурных работ известь затворяли избыточным количеством воды задолго до употребления и выдерживали в ямах до полного гашения. Образующееся тесто тщательно секли острыми металлическими секирами и пере­мешивали (рис. 13) до равномерно жирной и «липкой» консис — тенци и. Витрувий справедливо считал, что без этого кусочки НеДожженной извести не успевают погаситься до начала работ будут продолжать гаситься в штукатурке, образуя дутики,

Рис. 13. Римский легионер, перемешивающий известковый раствор при помощи лопатки (рельеф колонны Траяна)

Которые приведут к. поверхностным разрывам и трещинам. Для наиболее ответственных работ и приготовления специальных за­мазок (мальт) известь гасили не водой, а вином, перетирая со свиным салом и смоквой. Обычно римские законы не разрешали применять известь, гашенную менее чем за три месяца до начала строительства. Особенно тщательно и долго гасили известь, предназначенную для штукатурных работ. У древних строителей существовали специальные правительственные постановления, запрещающие употребление гашеной извести раньше истечения нескольких лет со дня затворения ее водой. Плиний Старший упоминает в своей «Естественной истории» о том, что древние законы о сооружениях запрещали применять для штукатурки известь, гашенную менее чем за три года до начала строительства. В то время считали, что, «…чем старее известь, тем лучше». Этим, по мнению Витрувия, достигалась надежность гашения, от кото­рой зависела прочность сооружения.

К XIX в. сроки гашения извести намного сократились, но мно­гие строители придерживались старых правил, считая законы древних строителей непогрешимыми. Так, русский зодчий Ф. М- Казаков при постройке здания Сената в Кремле приказал выдерживать известь в творильных ямах до шести месяцев, а Д. Жилярди считал, что этот срок должен быть около двух недель. Впоследствии время выдержки извести было уменьшено до трех дней, а сегодня известь гасят за несколько часов, используя для этой цели специальные установки-гидраторы-

Качество извести проверялось государственными контролерами при помощи небольшой лопатки, которую погружали в известковое

Тесто. Если после выдергивания лопатки на ней оставались от­дельные комки, считалось, что известь еще не созрела для произ­водства работ. Если же лопатка выходила из теста сухой и чис­той, это показывало,, что известь утратила свои вяжущие свойства. И только когда при вытаскивании лопатки к ней прилипал по всей поверхности ровный слой известкового теста, известь считалась годной к употреблению. Интересно, что Витрувий был первым, кто сделал попытку теоретически обосно­вать процесс обжига и твердения извести. Его объяснение сво­дилось к взаимодействию четырех первичных элементов, из которых состоит материя — земли, воды, огня и воздуха. Сегодня многим такое объяснение покажется наивным и даже смешным. Однако не следует забывать, что Витрувий описал это явление 2000 лет назад, и еще долго после него сущность процесса обжига известняка оставалась неясной. Первые научные объяснения та­кому взаимодействию химических элементов дал в 50-х годах XVIII в. Дж. Блэк. Процессы же твердения современных каль­циевых цементов исчерпывающе не разъяснены и поныне.

Прошли века, но принцип получения извести, отработанный древними римлянами, остался прежним. Изменилась лишь техно­логия ее получения и гашения. На смену кустарному произ­водству пришли автоматизированные заводы с большой про­изводительностью, позволяющие получать продукт, однород­ный по составу, с улучшенными характеристиками.

Однако при рассмотрении технологии получения извести из известняка мы не продвинулись по пути расшифровки римского секрета… С этой целью познакомимся с различными качествен­ными превращениями известняка, описанными в следующем раз­деле.

Производим и продаем бетономешалки шнековые — растворосмесители для приготовления бетонного раствора для изготовления шлакоблоков, тротуарной плитки и других строительных изделий. Фото бетономешалки шнековой: Описание конструкции бетономешалки шнековой Бетономешалка состоит из: …

Итак, вы познакомились с римским бетоном, применявшимся античными строителями почти 2000 лет назад — этим древним строительным материалом, который, во многом преобразившись, смело шагнул в наш XX в. и прочно …

Римский народ сдержан теперь И о двух лишь вещах беспокойно Мечтает, Хлеба и зрелищ… Ювенал Римские зрелищные сооружения, включая театры, стадионы и ипподромы (гипподромы), ведут начало из Греции. Считается, что …

Воздушная известь тип твердения — Справочник химика 21





Твердение известково-песчаных смесей. Прежде воздушная известь применялась в строительстве (всегда в смеси с песком) для изготовления кладочных и штукатурных строительных растворов. В настоя- [c.175]

    К воздушным относят такие вяжущие вещества, которые после замешивания с водой твердеют на воздухе и продукты твердения которых недостаточно стойки по отношению к воде. К воздушным вяжущим принадлежат воздушная известь, гипсовые вяжущие и др. [c.163]








Твердение воздушной извести при обычных температурных условиях вызывается в первые месяцы, годы главным образом процессами карбонизации извести и отчасти ее перекристаллизацией. В присутствии двуокиси углерода, содержащейся в воздухе, идет реакция карбонизации гидроокиси кальция  [c.176]

    Песок добавляется для уменьшения усадки, удешевления и улучшения твердения извести (см. твердение воздушной извести). [c.175]

    Твердение изделий на основе воздушной извести при обычных температурах [c.93]

    По мере повышения содержания силикатов, алюминатов и ферритов кальция условия твердения гидравлической извести приближаются к условиям твердения романцемента, а с увеличением количества гидрата окиси кальция — к условиям твердения воздушной извести. [c.110]

    Гидравлическая известь. Гидравлическая известь, в отличие от воздушной, начав твердеть на воздухе, может продолжать твердение в воде. Способность гидравлической извести сохранять и увеличивать прочность в воде объясняется наличием в ее составе, кроме свободной СаО, силикатов, алюминатов и ферритов кальция, которые образуются при обжиге за счет реакций между глиной и известняком. Для производства гидравлической извести используются известняки, содержащие глину обжиг ведется при 900—1000° С. [c.239]

    Активный кремнезем обладает способностью в присутствии воды взаимодействовать при обыкновенных температурах с воздушной известью и с гидратом окиси кальция, который выделяется при твердении цемента с образованием гидросиликата кальция. Активный кремнезем может присутствовать в виде диатомовых кремнистых скелетов (диатомитов) в виде силикатного стекла, находящегося в многочисленных вулканических породах, или в виде аморфного кремнезема в дегидратированной глине. [c.320]

    Для предотвращения растрескивания в процессе твердения извести к ее смеси с водой (замесу) добавляют песок. Процесс твердения замеса воздушной извести объясняется испарением механически связанной воды, кристаллизацией гидрата окиси кальция Са(ОН)2 и его карбонизацией — поглощением СОг, содержащейся в воздухе, по реакции [c.157]

    Из приведенного ранее становится ясным, что уже известно много веществ, пригодных для заметного изменения скорости схватывания и твердения цемента и гипса. В этом отношении значительно хуже положение с воздушной известью, о которой мы пока практически знаем лишь то, что ее твердение, заключающееся в реакции с кремнеземом, с которым встречаются в действительной жизни при изготовлении растворов бетона, силикатного кирпича, легкого бетона и т. п. смесей, наиболее быстро проходит при изготовлении этих изделий в автоклавах под давлением пара в 8—10 атм. [c.24]

    Процессы твердения воздушной извести сводятся к реакции карбонизации  [c.28]

    Тип твердения воздушной извести [c.29]

    Все это дает нам основание утверждать, что твердение воздушной извести обусловлено не только процессом карбонизации, но и процессом перекристаллизации гидрата окисн кальция. [c.29]

    Аналогично происходит твердение следующих применяемых в строительстве вяжущих веществ кальциевой воздушной извести, доломитизированной воздушной извести, доломитовой извести, доломитового цемента. [c.29]

    Пуццоланы — магматические горные породы, состоящие из рыхлых или слабо сцементированных отложений вулканического пепла. Основные оксиды SiOa и АЬОз, а также РегОз, MgO, СаО, щелочные оксиды. В технологии вяжущих материалов под пуццоланами понимают минеральные добавки, которые, будучи смешаны с воздушной известью, придают ей способность к гидравлическому твердению. К таким материалам относятся породы вулканического (пепел, трасс, туф, пемза, перлит, обсидиан) или осадочного (диатомит, опока, трепел) происхождения, состоящие в основном из кремнезема и глинозема в активной реакционноспособной форме. [c.182]

    Гидравлическими добавками называются природные или искусственные вещества, которые при смешении их в тонкоизмельченном виде с воздушной известью придают ей способность к гидравлическому твердению, а при смешении с портландцементом повышают его стойкость в пресных и сульфатных водах. При затворении водой в порошкообразном состоянии (без извести или портландцемента) гидравлические добавки самостоятельно не затвердевают. [c.538]

    Твердение воздушных известковых растворов протекает медленно. Для ускорения этого процесса к извести добавляют цемент, гидравлические добавки или гипс. [c.239]

    Процесс твердения гидравлической извести включает элементы воздушного и гидравлического твердения. Воздушное твердение связано с наличием в готовом продукте гидрата окиси кальция, кристаллизующегося при испарении избытка влаги и карбонизирующегося под действием углекислоты. [c.110]

    Воздушная известь представляет собою продукт обжига карбонатных пород или смесь этого продукта с минеральными добавками. Воздушная известь обеспечивает твердение строительных растворов и бетопрв и сохранение ими прочности в воздушносухих условиях. [c.287]

    Родт (V. Rodt [619], 31, 1942, 8 и 9) полагал, что твердение воздушной извести невозможно, исключая случай, когда оно происходит после процесса сушки. [c.831]

    При твердении гидравлической извести протекают процессы, характерные как для воздушного, так и для гидравлического твердения. Первые обусловливаются твердением гидрата окиси кальция или окиси кальция аналогично воздушной извести. Вторые процессы вызываются твердением силикатов, алюминатов и ферритов кальция в результате их взаимодействия с водой появляются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Сочетание воздушного и гидравлического твердения и многообразие возникающих при этом химических и физических явлений значительно усложняют изучение процессов, протекающих при твердении гидравлической извести. [c.110]

    Вполне естественно, что в тот период строители древности не имели даже самых примитивных сведений о химических процессах, протекающих при изготовлении и ошердении такого рода вяжущих вешеств. Технологические приемы базировались на чисто эмпирических наблюдениях, передававшихся из поколения в поколение. В эпоху Римской Империи появилось первое научное сочинение по архитектуре, затрагивающее вопросы образования и твердения некоторых известных в то время вяжущих веществ. В дошедшем до наших дней сочинении Витрувия Архитектура [1] имеются первые попытки объяснения с научной точки зрения процессов образования и твердения воздушной извести. В этот же примерно период было сделано крупное открытие в области технологии вяжущих веществ — открытие гидравлического вяжущего вещества, известного ныне под названием из-вестково-пуццоланового цемента. Дата появления этого водостойкого вяжущего вещества, получившего столь широкое применение, точно неизвестна. Однако, в упоминавшемся сочинении Витрувия имеется описание технологии этого вяжущего и излагаются взгляды на химическую сущность процессов твердения. Так, например, Витрувий, в главе VI второй книги, пишет Встречается некоторый род порошкообразного вещества, который от природы обладает замечательными свойствами. Его залежи находятся в районе городов, расположенных вокруг Везувия. Если этот порошок смешать с известью и щебнем, то не только в обычных сооружениях получается большая прочность, но и выполненные на таком растворе морские дамбы получатся такими прочными, что ни прибои, ни действие воды их не разрушают . [c.8]

    Все химические и физико-химические процессы твердения вяжущих веществ можно свести к следующим основным типам 1) тип твердения портландского цемента 2) тип твердения из-вестково-пуццоланоБого цемента 3) тип твердения штукатурного гипса 4) тип твердения воздушной извести 5) тип твердения шлаковых цементов 6) тип твердения цемента Сореля. [c.19]

    Такая точка зрения на химическую природу твердения воздушной извести в течение многих лет считалась общепризнанной, и лишь сра)внительн0 недавно некоторые исследователи высказали мнение, что при твердении воздушной извести протекает также процесс перекристаллизации гидрата окиси кальция, так как скорость карбонизации гидрата окиси кальция весьма небольшая. Образующийся на поверхности твердеющего известкового раствора слой карбоната кальция, вследствие своей плотности, затрудняет диффузию углекислого газа внутрь раствора. Толщина этого слоя достигает через несколько лет твердения всего лишь нескольких миллиметров. Внутренняя же часть известкового строительного раствора представляет собой гидрат окиси кальция в виде довольно крупных кристаллов, прочно сросшихся с частицами песка. Таким образом следует предполо-. жить, что при твердении воздушной извести наряду с процессом карбонизации протекает и процесс перекристаллизации гидрата окиси кальция. Оба процесса и приводят известковый раствор в твердое, камневидное состояние. [c.28]

    Изучение вяжуших свойств гидроокисей металлов второй группы производилось в образцах из растворов 1 3 в кубиках размером 3 X ЗХ 3 см. Хранение образцов, до испытания, было принято воздушное. Так как процесс твердения воздушной извести (гидроокиси кальция) протекает медленно, то испытания механической прочности продолжались до 6 месяцев. Полученные результаты приводятся ниже. [c.30]

    При гашении водой жирной извести образуется замес, жирный на ощупь. Жирная известь при ее употреблении в качестве вяжущего вещества требует добавления отощающего вещества (песка). Гашение извести сопровождается увеличением ее объема в 2,5—3 раза. Если при гашении извести образующийся гидрат кальция Са(ОН)г содержит не более 5% влаги, то такую гашеную известь называют пушонкой. При большем содержании воды можно получить тестообразную массу. При избытке воды получают раствор и взвесь твердого Са(0Н)2 в воде — известковое молоко. Твердение тестообразного замеса воздушной извести с водой объясняется испарением механически связанной воды, кристаллизацией гидрата кальция a(OH)s и его карбонизацией — поглощением СОг из воздуха. Образующийся при этом СаСОз связывает зерна песка. Добавление песка к замесу из жирной извести устраняет растрескивание его при твердении и удешевляет его стоимость. Твердение извести — процесс медленный, сопровождающийся выделением воды [ a(0H)2-t- 02 СаСОз Ч-НгО], поэтому здания, построенные с применением воздушной извести в качестве связующего материала, длительное время остаются сырыми. Воздушная известь дает невысокую прочность сооружению. Применяя воздушную известь в смеси с портланд-цементом, увеличивают ее прочность и связующие качества. [c.139]

    По сохранившимся записям, указам и другим архивным материалам, нанменование цемент , или семент , появилось в России в начале ХУП в. Однако, как это отмечает И. Л. Значко-Явор-ский, этими терминами в то время обозначались измельченные, иногда обожженные добавки, придававшие воздушной извести гидравлические свойства (цемянка, глннит) или ускоряющие твердение воздушной и гидравлической извести (карбонаты кальция и магния). [c.8]

    ИЗВЕСТЬ, вяжущий материал воздушного или гидравлич. твердения (соотв. воздушная и гидравлич. И.). Получ. обжигом кусковых известково-магнезиальных карбонатных горных пород (известняка, мела и др.) при 1000—1200 °С в шахтных, вращающихся и др. печах. Воздушная И. состоит в осн. из СаО и MgO (до 5% МеО — кальциевая, от 5 до 20% —магнезиальная, до 40% —доломитовая). Гидранлич. И. содержит, помимо СаО и MgO, силикаты, алюминаты и ферраты Са. Образующаяся в обжиговых печах т. н. негашеная И.— крупные комья серого или желто атого цвета (см. Кальция оксид). При взаимод. ее с водой образуется т. н. гашеная И., состоящая в основном из Са(ОН)з гашение происходит с выделением большого кол-ва тепла, вследствие чего вода закипает, водяные пары разрыхляют И. и она превращается в высокодисперсный порошок (отсюда название — пушонка). Строит, р-ры гого-ият как из гашеной, так и из негашеной молотой И. последние быстрее тв деют и сохнут. Примен. в произ-ве силикатных изделий, бетонов низких марок, штукатурных смесей. [c.208]

    При твердении гидравлической извести протекают процессы, характерные как для воздушного, так и для гидравлического твердения. Первые обусловливаются твердением гидрата окиси кальция или окиси кальция аналогично воздушной извести. Вторые процессы вызываются твердением силикатов, алюминатов и ферритов кальция в результате пх взаимодействия с водой появляются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Сочетание воздушного и гидравлического твердения и многообразие возникающих при этом химических и физических явлений значительно усложняют изучение процессов, протекающих при твердении гидравлической извести. По мере повышения содержания силикатов, алюминатов и ферритов кальция условия твердения гидравлической извести приближаются к условиям твердения романцемента, а с увеличением количества гидрата окиси кальция — к условиям твердения воздушной извести. [c.158]

    Исследования автоклавных бетонов проводились в первую очередь на базе местных вяжущих (сланцевая зола и воздушная известь). Для сравнения испытывался мелкозернистый портландцементный бетон нормального твердения. Образцы призм размером 4Х4Х16сж изготовлялись из раствора 1 4 (вяжущее кварцевый песок). Активность известково-песчаного бетона была 8%. при этом 20% из общего количества песка заменялось молотым песком. Образцы запаривались при 12 ати в течение 2 час 30 мин+А час+ час 15 мин. [c.81]

    Обращают на себя внимание высокие абсолютные значения прочностей образцов из извести-кипелки при малых водоизвестковых факторах, достигаюшле (в малых образцах), порядка 200 кГ/сле через 28 суток твердения. В старых стандартах на воздушную известь было записано, что прочность ее на сжатие в трамбованных образцах пз раствора состава 1 3 в 2 -с точном возрасте при воздушном твердении должна быть не мене 6 кГ сл>-. [c.34]

    Однако образование камня из извести за счет ее гидратации имеет свои особенности. Гидратационное твердение негашеной молотой извести определяется в конечном счете стадией кристаллизации и перекристаллизации гидратных новообразоваю. н. Все предшествующие стадии (растворение, коллоидация, коагуляция) являются лишь подготовительными. Но если в процессе перекристаллизации извести внутри образующейся коагуляционной структуры вещество приобретает каменную прочность, принимая вид пол икр иста ллического стростка, то возникает вопрос, почему тесто из воздушной извести не затвердевает при хранении в гасильных ямах  [c.59]

    Минеральные вяжущие материалы — тонкоизмельченные порошкообразные материалы (цементы, гипс, известь и др.), образующие при смешении с водой (в отдельных случаях-с р-рами солей, к-т и щелочей) пластичную удобо-укладываемую массу, затвердевающую в прочное камневидное тело и связывающую частицы твердых заполнителей и арматуру в монолитное целое. Твердение минер. В. м. осуществляется вследствие процессов растворения, образования пересыщенного р-ра и коллоидальной массы последняя частично или полностью кристаллизуется. Делятся минер. В.М. на гидравлические, воздушные, кислотоупорные, автоклавные и фосфатные. [c.447]

    Классические роман-цементы также получают путем обжига известково-глинистых смесей при температуре ниже границы спекания их использовали в древние времена романские народы, для возведения своих удивительных сооружений. Грюн з описал роман-цементы, а Солаколу — соответствующие цементные растворы, из которых был сооружен троянский мост через Дунай. В прозрачных шлифах этих материалов многовековой давности действительно можно было видеть начало кристаллизации продуктов реакции гидроокиси кальция с гидратом кремнезема. Как и в известковых песчаниках, было подтверждено появление реакционных каемок новообразований вокруг кварцевых зерен. Согласно Бринцингеру и Бубаму , взаимодействие между известью и гидратами кремнезема в типичных воздушных вяжущих материалах проходит очень медленно . Реакции в песчано-известковых смесях этого типа изучены с помощью химических определений растворимого кремнезема, количество — которого явно увеличивается с увеличением дисперсности, материала и продолжительности взаимодействия . Кизельгур (диатомовая земля) быстрее взаимодействует с гидратом окиси кальция. Хундесхаген методом окрашивания подтвердил, что кварц и гидрат окиси кальция взаимодействует при повышенных температурах эта реакция имеет место при производстве известково-песчаных материалов . Кальцит наблюдался как вторичный продукт, хотя этот минерал (вопреки ранее существовавшим представлениям) по существу не принимает участия в процессе твердения. [c.831]

    Существенное отличие гидравлической извести от воздушной — способность к твердению в воде — значительно расширяет области ее применения. Она вполне пригодна для каменной кладки и для штукатурных работ, причем для каменной кладки применение гидравлической извести намного предпочтительней вследствие ее более быстрого и более равномерного твердения по всей толще стены. Гидравлическую известь можно применять при получении известково-шлаковых и известково-пуццолановых цементов. Гидравлическая известь пригодна для кладки фундаментов и других частей зданий, находящихся во влажных условиях при эксплуатации. Ее можно применять и для бетонных сооружений, не требующих особо высокой прочности (небольшие гидротехнические сооружения, оросительные каналы и т. д). [c.112]


«ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА – СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

Дополнительный материал по химии на тему:
«ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА – СТРОИТЕЛЬНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ»
Природные или искусственные вещества, в состав которых входит кремнезем
SiО2,   называют   силикатами.   Это   слово   происходит   от   латинского   silex   –
кремень.   Современная   силикатная   промышленность   –   важнейшая   отрасль
народного   хозяйства.   Она   обеспечивает   основные   потребности   страны   в
строительных   материалах.   Стекло   является   типичным   представителем
силикатных   материалов.   Керамические   материалы   также   относятся   к
силикатным.   Но   вначале   нужно   остановиться   на   связующих   материалах   и
материалах,   получающихся   с   их   использованием,   а   также   на   уникальном
строительном материале древесине.
СВЯЗУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Известь как связующий материал
Известь – один из древнейших связующих материалов. Археологические
раскопки показали, что во дворцах древнего города Кносса, расположенного в
центральной части острова Крит, – одного из центров эгейской культуры –
имелись   росписи   стен   пигментами,   закрепленными   гашеной   известью.   Эти
дворцы относят к XVI–XV вв. до н. э. В данном случае известь использована и
как связующее, и как клей.
«Негашеную известь» (оксид кальция СаО) получают обжигом различных
природных   карбонатов   кальция.   Реакция   обжига   обратима   и   описывается
уравнением:
СаСО3  СаО + СО2
Следует   отметить,   что   содержание   в   негашеной   извести   небольших
количеств неразложившегося карбоната кальция СаСО3 улучшает связующие
свойства   извести.   К   этому   же   приводят   небольшие   примеси   силикатов,
алюмосиликатов   и   ферритов   кальция,  часто   присутствующих   в   природном
карбонате.
Для   использования   извести   в   качестве   связующего   её   гасят,   готовят
тесто, которое затем смешивают с песком в количестве от двух до четырех
частей по объему.
Гашение извести сводится к переводу оксида кальция в гидроксид:
Эта реакция экзотермическая, то есть протекает с выделением теплоты,
что   заметно   каждому   проводящему   операцию   гашения.   При   хранении
СаО + Н2О = Са(ОН)2 негашеной извести контакт с влагой может привести к такому разогреванию,
что способно воспламениться дерево.
Твердение извести связано с физическими и химическими процессами.
Во­первых,   происходит   испарение   механически   примешанной   воды.   Во­
вторых, гидроксид кальция кристаллизуется, образуя известковый каркас из
сросшихся   кристаллов   Са(ОН)2  и   окружающих   частиц   песка.   Кроме   того,
происходит   взаимодействие   гидроксида   кальция   с   СО2  воздуха   с
образованием карбоната («карбонизация»):
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О
Оба эти процесса (кристаллизация и карбонизация) протекают довольно
медленно.  Поскольку  процесс   карбонизации  связан  с выделением   воды,  то
стены, сложенные с использованием известкового раствора, долго остаются
сырыми. Для ускорения процесса карбонизации иногда внутрь домов вносят
жаровни с горящими углями, которые и генерируют необходимый углекислый
газ:
С + О2 = СО2
Теперь   должно   быть   понятно,   почему   прогреванием   отштукатуренных
поверхностей электрическими отражательными лампами или сухим теплым
воздухом нельзя ускорить процесс карбонизации. Наоборот, это приведет к
обезвоживанию   штукатурки,   что   затруднит   поглощение   ею   диоксида
углерода.
Плохо или «ложно» высохшая штукатурка может впоследствии привести
к   отслаиванию   пленки   масляной   краски   вследствие   образования   мыла   в
результате   взаимодействия   кальциевой   щелочи   с   жирами   олифы
(растительного масла).
Чтобы установить зрелость связки или штукатурки, то есть завершение в
них   процесса   карбонизации,   на   них   наносят   каплю   1%­ного   спиртового
раствора   фенолфталеина.   При   наличии   не   связанной   в   карбонат   извести
происходит покраснение.
Добавление   песка   к   известковому   тесту   необходимо   потому,   что   в
противном   случае   при   затвердевании   оно   дает   сильную   усадку   и
растрескивается.   Песок   в   известковом   тесте   служит   как   бы   арматурой,
которая препятствует изменению объема и растрескиванию при высыхании.
Кроме   того,  песок   удешевляет   раствор   и   делает   его   более  пористым,  что
облегчает   удаление   испаряющейся   воды   и   доступ   СО2  внутрь   связующего
материала. В известковом растворе (известковое тесто, замешанное с песком)
должно быть столько извести, чтобы ее хватило для заполнения всех пустот
между   песчинками   и   обмазывания   каждой   из   них.   При   большом   избытке
извести,   а   также   при   неравномерном   ее   распределении   (при   плохом
перемешивании)   в   местах   скопления   извести   при   затвердевании   могут
появиться трещины.
Для   известкового   раствора   предпочитают   применять   горный   песок,
состоящий   из   угловатых   песчинок.   Речной   песок   состоит   из   округлых, обкатанных зерен, что приводит к меньшей прочности связки. Как уже было
сказано, наличие в гашеной извести небольшой примеси карбоната кальция
СаСО3  улучшает   связующие   свойства   извести.   Это   обусловлено   тем,   что
частички   карбоната   кальция   играют   роль   центров   кристаллизации   при
карбонизации и тем самым ускоряют процесс затвердевания. 
Цемент
Цемент – собирательное название различных порошкообразных вяжущих
веществ, способных при смешивании с водой образовывать пластичную массу,
приобретающую   со   временем   камневидное   состояние.   Слово   «цемент»
происходит от лат.  caementum, что означает «битый камень». Большинство
цементов   являются   гидравлическими,   то   есть   вяжущими   веществами,
которые, начав твердеть на воздухе, продолжают твердеть и под водой. 
Первый   цемент   был   открыт   во   времена   Римской   империи.   Жители
местечка Пуццоли, расположенного у подножья вулкана Везувий, заметили,
что при добавлении к извести вулканического пепла (пуццоланы) образуется
эффективное   связующее   средство.   Сама   известь,   как   известно,   проявляет
связующие   свойства,  но   в  связке   неустойчива   к   воде.   Примерно   в  это   же
время   жители   Древней   Руси   заметили,   что   устойчивость   к   воде   придает
извести измельченная обожженная глина («цемянка»). Такие гидравлические
связующие   материалы   использовали   для   сооружения   каменных   построек
древнего Киева и Новгорода.
Одним   из   основных   и   наиболее   распространенных   промышленных
цементов   является  портландцемент.   Его   рецепт   был   запатентован
английским   каменщиком   Дж.   Аспадом   в   1824   г.   В   настоящее   время
портландцемент готовят обжигом до спекания (то есть до появления жидкой
фазы)   смеси   известняка   и   алюмосиликатного   компонента   (глины,   шлака,
золы). «Спек» размалывают и в него вводят некоторые добавки. Он состоит из
60–65 % извести,  24 % кремнезема SiO2  и  8 % глинозема А12О3. В свое
время   вблизи   Новороссийска   были   найдены   огромные   залежи   породы,   по
составу близкой к сырьевой смеси портландцемента. Этот сырьевой источник
послужил   основой   для   широкого   развития   цементной   промышленности   в
районе Новороссийска.
Обычно   цементы   при   твердении   в   условиях   недостаточной   влажности
дают   усадку.   Пористая   структура   затвердевшего   цемента   и   его   усадка
являются   причинами   водопроницаемости   бетонных   конструкций.   Для   ряда
строительных   работ
безусадочный
(расширяющийся) цемент. Такие цементы включают в себя расширяющиеся
добавки, например гипс. В качестве основы берут тот же портландцемент или
другие марки.
рекомендуется   применять
Строительные растворы применяют для связывания кирпичей, камней
и блоков при сооружении стен. Кроме того, их используют для штукатурки
стен   и   потолков   с   целью   получения   ровных   поверхностей   и   защиты   от внешних воздействий. В строительные растворы входят вяжущее вещество и
заполнитель. В качестве основного вяжущего вещества используют цемент, а в
качестве   заполнителя   –   песок.   Часто   в   строительные   растворы   включают
смесь двух вяжущих веществ, например цемент и известь. Такие растворы
называют смешанными. Для каменной кладки обычно используют цементно­
известково­песчаные   растворы.
Соотношение   этих   компонентов
(цемент/известь/песок) в объемных частях может составлять от 1 : 0,2 : 3 до
1 : 2 : 12.
Для   штукатурных   работ   часто   используют   растворы   на   основе   смеси
цемента, гипса и песка в следующих объемных соотношениях: от 1 : 0,25 : 4 до
1   :   4   :   6.   В   таких   растворах   строительный   гипс   ускоряет   схватывание   и
твердение,   а   также   устраняет   оплывание.   Растворы,   применяемые   для
штукатурных   работ,   не   должны   давать   усадки.   Гипс   при   затвердевании
расширяется в объеме. Поэтому его введение в растворы имеет весьма веское
обоснование.   При   оштукатуривании   потолков   и   карнизов   дозировку   гипса
увеличивают, а при штукатурке стен – уменьшают.
Если стремятся повысить пластичность и связность растворов, то вместо
гипса предпочитают брать известь.
Асбоцемент и гипс
Асбестоцементные   изделия  изготавливают   из   смеси   асбеста   (20 %),
цемента  (80 %)   и   воды.  Асбест,   называемый   также   горным   льном, –  это
природный   волокнистый   минерал,   способный   расщепляться   на   тончайшие
гибкие   и   эластичные   волокна,   из   которых   так   же,   как   и   из   растительных
волокон   (лен,   хлопок),   можно   прясть   нити   и   вырабатывать   ткани.   Асбест
негорюч,   обладает   низкой   теплопроводностью,   и   потому   изготовленная   из
асбестовых   тканей   одежда   используется   для   работы   около   объектов   с
высокой   температурой.
Промышленность   выпускает   следующие
асбоцементные изделия: кровельные (в частности, шифер), стеновые, трубы и
др. Как уже было отмечено, асбест – огнестойкий материал, однако при 70 °С
он   начинает   терять   прочность.   При   температуре   368   °С   удаляется
содержащаяся в нем вода, в результате чего полностью теряется прочность
асбеста.
Асбоцементные   изделия   обладают   более   высокой   прочностью   при
растяжении, изгибе и ударных нагрузках, чем затвердевшее цементное тесто.
Это объясняется армирующими свойствами асбеста, схожими с армирующим
действием стальной арматуры в железобетоне. Асбоцементные изделия кроме
огнестойкости и теплоизоляционных свойств обладают малой электрической
проводимостью,   стойкостью   к   атмосферным   воздействиям,   хорошей
прошиваемостью   гвоздями.   Они   легко   обрабатываются   режущими   и
пилящими инструментами. Асбоцементные изделия характеризуются меньшей
водопроницаемостью и большей устойчивостью к действию минерализованных
вод, чем бетоны и растворы из портландцемента. Асбоцементные кровельные покрытия   долговечны,   морозостойки,   несгораемы,   не   требуют   окраски   и
редко   нуждаются   в   ремонте.   К   их   недостаткам   относятся   хрупкость,
коробление и, при сильных ветрах, возможность проникания воды через стыки
соседних листов.
На основе гипса с введением гидроксида железа (III), получаемого из
промышленных   отходов,   изготавливают   теплоизоляционный   материал
феррон, или феррогипс. Его используют для тепловой изоляции аппаратов и
трубопроводов, а также в строительстве.
Строительные гипсовые изделия.  Примерно в третьем тысячелетии до
н. э. в строительстве взамен глины в качестве связующего материала стали
использовать гипс. Для этой цели его начали применять даже раньше, чем
известь. Уже 5–6 тысяч лет назад египтяне заделывали швы сложенных из
камней   пирамид   гипсом.   Такие   швы   были   обнаружены,   в   частности,   в
пирамиде Хеопса.
Строительный гипс получают из природного минерала – гипсового камня
CaSO4  ∙   2h3O   или   из   минерала   ангидрита   Ca[SO4],   а   также   из   отходов
некоторых   отраслей   химической   индустрии.   Природный   гипс   содержит
примеси   глины,   песка,   известняка,   колчедана.   При   его   использовании   в
качестве строительного материала примеси не должны превышать 35 %.
Гипсовый   камень   при   нагревании   примерно   до   140   °С   теряет   воду   и
переходит в алебастр (полуводный гипс CaSO4  ? 0,5h3O) в соответствии  с
уравнением:
CaSO4 ? 2h3O = CaSO4 ? 0,5h3O + 1,5h3O
При  замешивании  измельченного  полуводного  гипса  CaSO4  ? 0,5h3O  с
водой вновь происходит ее поглощение до состояния дигидрата СаSО4 ? 2Н2О,
и масса превращается в твердое тело. Это свойство гипса широко используют
в травматологии, ортопедии и хирургии для изготовления гипсовых повязок,
обеспечивающих   фиксацию   отдельных   частей   тела.
Отвердевание
замешанного с водой гипса сопровождается небольшим увеличением объема.
Это   позволяет   проводить   тонкое   воспроизведение   всех   деталей   лепной
формы, что широко используют скульпторы  и архитекторы. Для придания
скульптурному   изделию   вида   «слоновой   кости»   слепок   пропитывают
раствором   парафина   или   стеарина   в   бензине.   Воскообразное   вещество,
остающееся   после   испарения   летучих   углеводородов,   заполняет   поры   и
предохраняет гипс от атмосферных воздействий.
При   повышении   температуры   до   220   °С   двуводный   гипс   полностью
теряет   воду,   образуя   безводный   CaSO4,   который   лишь   при   вылеживании
поглощает влагу и переходит в полугидрат. Однако если обжиг вести при
температуре выше 220 °С, то получается безводный CaSO4, который влагу
уже не поглощает и не «схватывается» при растворении водой. Его называют
«мертвым»   гипсом.   Однако   мертвый   гипс   может   быть   использован   для
получения ангидритового цемента при добавлении 1–5 % извести. Строительный   гипс   получают   прокаливанием   природного   гипса   или
ангидрита при температуре около 1300 °С. При этой температуре выделяется
триоксид серы по реакции:
CaSO4 = CaO + SO3
и   получается   твердый   раствор   СаО   в   CaSO4.   При   замешивании   с   водой
измельченный   продукт   быстро   образует   очень   твердую   и   плотную   массу.
Начало схватывания затворенного с водой строительного гипса наступает не
ранее 4 минут, конец схватывания – не ранее 6 минут, но и не позднее 30
минут.
В   строительстве   из   гипса   изготавливают   сухую   штукатурку,   плиты   и
панели   для   перегородок,   стеновые   камни,   архитектурные   детали,
вентиляционные короба и др.
Гипсовые изделия характеризуются сравнительно небольшой плотностью,
несгораемостью   и   относительно   невысокой   теплопроводностью.   В   состав
гипсовых  изделий вводят  древесные  опилки,  шлаки и другие наполнители,
уменьшающие массу и улучшающие гвоздимость, под которой в строительном
деле понимают способность материала прочно удерживать вбитые гвозди, не
растрескиваясь. Следует сказать, что эти наполнители приводят к некоторому
уменьшению   прочности   изделий.   Гипс   является   воздушно­вяжущим
материалом,   поэтому   изделия   из   него   не   рекомендуется   применять   в
помещениях с повышенной влажностью.
Гипсовая   сухая   штукатурка  –   листовой   отделочный   материал,
состоящий из гипсового слоя, покрытого со всех сторон (кроме торцевых)
картонной   оболочкой.   В   гипсовый   слой   вводят   пенообразователь
(увеличивающий   пористость,
уменьшающий   массу   и
теплопроводность)   и   клей   –   декстрин   или   сульфитно­спиртовую   барду,
обеспечивающие   сцепление   с   картоном.   Картон   приклеивается   жидким
стеклом или декстрином.
а   значит,
Гипсовые   перегородочные   плиты   изготавливают   как   из   одного
строительного   гипса,   так   и   из   его   смеси   с   наполнителями   –   древесными
опилками или шлаками тепловых электростанций. Замешанную с водой массу
заливают в форму, выдерживают определенное время, а затем сушат. Процесс
этот полностью механизирован. Следует также отметить, что гипс в смеси с
глиной,   песком   и   известняком   на   Кавказе   называют  гажей  и  ганчем,   а   в
Средней Азии – арзыком. Они встречаются в этих засушливых районах в виде
породы.
Бетон. Растворимое стекло
Бетон  является разновидностью искусственных каменных материалов.
Безусловно, это важнейший материал современной строительной индустрии,
хотя и известен уже около 2 тысяч лет. Он использовался уже в строительстве
одного   из   величайших   сооружений  I   в.   до   н.  э.   Колизея   в   Риме   наряду   с
кирпичом и природными камнями. Интересно отметить, что древнеримское сооружение Пантеон, построенный в начале нашей эры, перекрыт бетонным
куполом диаметром 42,7 м. Для изготовления бетона используют цемент (10–
15 % по массе). Для этой цели чаще всего берут портландцемент. Активными
составными   частями   бетона   являются   вяжущие   вещества   и   вода,   а
пассивными – наполнители. Обычно сочетают крупные и мелкие наполнители.
К   крупным   относят   гравий   и   щебень,   а   к   мелким   –   песок.   Должно   быть
рациональное соотношение между крупным и мелким наполнителем. Частицы
мелкого наполнителя должны заполнять пустоты между крупными. Пустоты
между   частицами   наполнителя   должны   заполняться   цементным   тестом.
Наполнители   при   обычных   температурах   практически   не   вступают   в
химическое взаимодействие с вяжущим веществом и водой.
Обыкновенный   (тяжелый)   бетон   изготавливают   на   основе   тяжелых
наполнителей   –   песка,   гравия   или   щебня.   Он   обладает   большой
теплопроводностью и поэтому не применяется для возведения стен жилых
домов.   Малая   плотность   легких   бетонов   обусловлена   тем,   что   для   их
изготовления применяют пористые наполнители: шлаковую пемзу, котельный
и   доменные   шлаки,   вспученный   перлит,   туф   и   др.   Легкие   бетоны   имеют
замкнутые   поры,   заполненные   воздухом,   который,   являясь   плохим
проводником   теплоты,   обеспечивает   малую   теплопроводность.   Это   дает
возможность   применять   легкий   бетон   для   жилищного   строительства.
Естественно, что увеличение пористости снижает его прочность.
Существуют   ячеистые   бетоны,   которые   содержат   мелкие   ячейки,
занимающие до 85 % объема. Это пенобетон и газобетон. Первый получают
смешением цементного теста с пеной, устойчивой в течение нескольких часов,
то есть до схватывания цемента. Существует несколько пенообразователей,
среди   которых   используется   и   гидролизованная   кровь,   вырабатываемая   из
отходов   мясокомбинатов.   Для   получения   газобетона   в   тесто   вводят
газообразующие   добавки.   Обычно   это   алюминиевая   пудра,   вводимая   в
количестве 0,1–0,2 % по массе цемента. Поскольку среда цементного теста
щелочная,   алюминий   взаимодействует   со   щелочами   в   соответствии   с
уравнением:
2Al + Ca(OH)2 +2Н2О = Са(АlO2)2 + 3Н2
Выделяющийся   водород   и   вспучивает   цементное   тесто,   делая   его
пористым.
Растворимое (жидкое) стекло.  Это водный раствор силиката натрия.
Его изготавливают сплавлением песка с содой с последующим вывариванием
полученного стекла в воде. На основе растворимого стекла при добавлении
наполнителей   и   модификаторов   получают   силикатный   клей,   который
применяют   для   склеивания   керамики,   стекол,   асбеста,   металлов   и   других
материалов. Конечно, его используют и в канцелярском деле для склеивания
бумаги и картона.
Вследствие   близкой   природы   жидкое   стекло   (силикатный   клей),
попавшее на поверхность стекла, при высыхании образует прочное сцепление. Это приводит к нарушению ровной поверхности стекла, то есть к его порче.
Однако   данное   свойство   может   быть   использовано   для   придания   стеклу
матовости. С этой целью жидкое стекло смешивают с порошком мела (зубным
порошком)   и   наносят   на   поверхность   стекла.   При   высыхании   образуется
плотный слой, который и придает стеклу матовость.
На   основе   жидкого   стекла   изготавливают   искусственные   камни.   Они
получаются в результате смешения стекла с различными (чаще минеральными)
наполнителями:   карбонатными   горными   породами,   кварцевым   песком,
древесными   опилками   и   др.   Отформованную   массу   помещают   в   раствор
хлорида   кальция   СаС12  или   сульфата   алюминия   Al2(SO4)3  (алюминиевых
квасцов). Это приводит к затвердению массы и образованию камня. Вводя в
массу окрашенные добавки, получают камни, напоминающие натуральные.
С   целью   предохранения   поверхности   каменных   зданий   от
преждевременного разрушения разработан способ ее флюотирования, то есть
обработки   фторидными   соединениями.   Для   этого   используют   MgSiF6  и
ZnSiF6.   В   результате   химической   реакции   ионы   кальция,   находящиеся   на
поверхности,   превращаются   в   малорастворимый   CaF2.
Пленка   этого
соединения  и  выполняет  защитную  функцию. Поверхность  железобетонных
изделий флюотируют 3,5–7%­ным раствором кислоты h3SiF6. Кроме того, для
этой   цели   предложено   также   использовать   сухой   газообразный   HF   под
давлением   4–6   атм.   В   результате   образуется   SiF4,   который   при
взаимодействии   с   находящимся   в   бетоне   Са(ОН)2  дает   малорастворимый
фторид кальция и гель кремниевой кислоты, который также малорастворим.
Они и выполняют защитную функцию бетона. Химическая стойкость бетона
резко возрастает, особенно в агрессивных средах.
За рубежом при строительстве и эксплуатации грунтовых и щебеночных дорог
для   их   обеспыливания   широко   используют   растворы   хлорида   кальция.   За
летний   сезон   дорогу   поливают   3–4   раза   75%­ным   раствором   этой   соли.
Отметим также, что хлорид кальция ускоряет твердение бетона и увеличивает
морозостойкость строительных растворов.
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Виды кирпича. Изготовление различных видов
Красный глиняный кирпич изготавливают из замешанной с водой глины с
последующим   формованием,   сушкой   и   обжигом.   Сформованный   кирпич
(сырец) не должен давать трещин при сушке. Плохо высушенный сырец при
обжиге неизбежно приведет к образованию трещин. Красная окраска кирпича
обусловлена наличием в глине оксида Fe2О3. Эта окраска получается, если
обжиг ведут в окислительной атмосфере, то есть при избытке воздуха. При
наличии   в   атмосфере   восстановителей   на   кирпиче   появляются   серовато­
синеватые тона. В   настоящее   время   в   строительстве   широко   используют  пустотелый
кирпич, то есть имеющий внутри полости определенной формы. Не теряя свои
теплоизоляционные   свойства,   такой   кирпич   позволяет   уменьшать   массу
жилого здания примерно на 25–40 %. Это позволяет существенно сократить
затраты при транспортировке и трудозатраты на строительстве.
Для   облицовки   зданий   изготавливают  двуслойный   кирпич.   При   его
формовании на обычный кирпич наносится слой из светлой или равномерно
окрашенной   глины.   Сушку   и   обжиг   двухслойного   облицовочного   кирпича
производят по обычной технологии.
Особым видом глиняного обожженного кирпича является  клинкерный.
Его   применяют   для   мощения   дорог,   облицовки   цоколей   зданий,   в
гидротехнических сооружениях.
Силикатный кирпич. Сырьем для силикатного кирпича служат известь и
кварцевый песок. При изготовлении «силикатного теста» известь составляет
5,5–6,5 % по массе, а вода – 6–8 %. Подготовленную массу прессуют и затем
подвергают   нагреванию   (при   температуре   около   170   °С)   в   автоклаве   под
действием пара высокого давления. Химическая сущность процесса твердения
силикатного   кирпича   совершенно   иная,   чем   при   твердении   связующего
материала на основе извести и песка. При высокой температуре значительно
ускоряется кислотно­основное взаимодействие гидроксида кальция Са(ОН)2 с
диоксидом  кремния SiO2  с образованием  соли –  силиката кальция CaSiO3.
Образование   последнего   и   обеспечивает   связку   между   зернами   песка,   а
следовательно, прочность и долговечность кирпича.
Силикатный кирпич имеет светло­серый цвет, но иногда его окрашивают.
Для   этой   цели   используют   глины   или   промышленные   отходы,  содержащие
оксиды железа. Водопоглощение силикатного кирпича довольно высокое, но
не   должно   превышать   16   %.   Вследствие   высокого   водопоглощения   по
сравнению   с   красным   глиняным   кирпичом   он   обладает   меньшей
морозостойкостью.  Силикатный   кирпич   в   основном   используют   в   качестве
стенового   материала   для   возведения   надземных   частей   зданий.   Его   нельзя
применять   для  фундаментов, подвергающихся   воздействию   грунтовых  вод,
особенно если последние содержат СО2, а также для кладки печей, так как он
не выдерживает длительного воздействия высоких температур.
Древесина
Лес является величайшим даром природы. Его называют легкими нашей
планеты, поскольку в процессе фотосинтеза он поглощает углекислый газ и
одновременно выделяет кислород, играя, таким образом, важнейшую роль в
сохранении   кислородного   баланса   атмосферы   воздуха.   Лес   –   источник
древесины, уникального строительного материала. Здесь важно отметить то,
что древесина постоянно воспроизводится и при правильном ведении лесного
хозяйства   лес   может   быть   неисчерпаемым   поставщиком   строительного
материала и сырьем для лесохимической промышленности. На земном шаре существует около 500 видов деревьев хвойных пород и около 30 000 видов
деревьев лиственных пород. Ученые считают, что хвойные появились на Земле
200–300 млн лет назад, а лиственные намного позже – около 100 млн лет
назад.
Специалисты утверждают, что при правильной эксплуатации деревянные
конструкции могут служить весьма долго. Недавно в Санкт­Петербурге были
вскрыты стены главного корпуса Технологического института, построенного
более   160   лет   назад.   Оказалось,   что   внутри   они   имеют   деревянные
конструкции,   которые   оформлены   кирпичной   кладкой.   Удивление   и
восхищение вызвало то, что деревянные конструкции находятся в хорошем
состоянии и могут нести службу еще многие годы.
Однако   древесина   является   хорошей   питательной   средой   для
дереворазрушающих грибков и насекомых. Важным фактором для их развития
является   повышенная   влажность.   В   настоящее   время   выявлено   около   100
видов   таких   грибков,   разрушающих   древесину.   Поэтому   перед   химиками
стоит   важнейшая   народнохозяйственная   задача   –   химическими   средствами
защитить древесину от разрушения. Для этой цели используют антисептики –
препараты,   уничтожающие   микроорганизмы   или   задерживающие   их
размножение   и   развитие.   Для   защиты   древесины   антисептики   должны
отвечать ряду требований: быть токсичными для дереворазрушающих грибков
и насекомых, но безвредными для человека и животных; хорошо проникать в
древесину и быть стойкими во времени; не снижать прочность древесины и не
портить ее внешнего вида; не вымываться водой. Большинством этих свойств
обладают  каменноугольные масла, образующиеся при коксовании каменных
углей. Первые рекомендации по их использованию для пропитки древесины
были даны еще в 1835–1838 гг. Несмотря на большое количество выявленных
антисептиков,   ни   один   из   них   не   обладает   столь   широким   комплексом
необходимых свойств. Каменноугольные масла применяют в чистом виде или
в смеси в разбавителями для защиты древесины, работающей в самых жестких
условиях:  шпалы,  подземная часть  столбов, опоры  мостов и  др.  Однако у
каменноугольных пропиточных масел имеются и существенные недостатки.
Они   придают   древесине   повышенную   горючесть,   окрашивают   ее   в
непривлекательный   черный   цвет   и   обусловливают   неприятный   запах.
Пропитанную ими древесину нельзя склеивать.
Наряду   с   каменноугольными   маслами   для   этой   же   цели   используют
«сланцевое   масло».  Оно   получается   на   сланцехимическом   производстве.   В
отличие   от   каменноугольного   сланцевое   масло   не   загустевает   вплоть   до
температуры   –30   °С.   Для   употребления   в   быту   и   в   индивидуальном
строительстве используют одну из дистиллатных фракций сланцевого масла,
названную «Лигно». Этот антисептик имеет гораздо более терпимый запах,
светлую окраску и потому даже повышает декоративные свойства древесины,
оттеняя ее фактуру. Существуют   эффективные   антисептики,   растворимые   в   органических
растворителях, – пентахлорфенол и смесь медных солей нафтеновых кислот.
Они обладают рядом важных для сохранения древесины свойств, но первый
имеет специфический запах и окрашивает древесину в коричневый цвет, а
второй – в непопулярный зеленый цвет.
Химики   также   предлагают   несколько   неорганических   антисептиков.
Среди них фторид натрия NaF, комплексные соли Na2[SiF6] и Nh5 [BF4]. Все
они водорастворимы и потому легко вымываются из древесины. В связи с
этим   их   можно   применять   для   пропитки   деталей   конструкций,   не
подвергающихся   постоянному   увлажнению.   Существуют   и   антисептики   на
основе   мышьяка  –  мышьяковая   кислота  h4AsO4  и  ее  соль  Na2HAsO4.  Для
защиты   древесины   также   используют   смесь,   состоящую   из   трех   частей
дихромата натрия Na2Cr2O7  и двух частей сульфата меди CuSO4  ∙ 5h3O, а
также   смесь   какой­либо   соли   меди  (II)   и  борной   кислоты   Н3ВО3.  Все   эти
антисептики не должны быть дорогими, и потому, как правило, используют
отходы различных производств, а не чистые соединения.
Для   борьбы   с   гниением   древесины   и   с   целью   ее   консервирования
применяют ZnSO4  и ZnCi2. Для этой же цели широко используют фториды
металлов (например, NaF, KF, BaF2, ZnF2) и кремнефториды (Na2SiF6, MgSiF6,
ZnSiF6), а также соединения мышьяка. Кремнефториды лучше, чем простые
фториды,   проникают   в   древесину   и   потому   эффективнее   проявляют   свои
антисептические   свойства.   Кремнефториды   не   дают   осадка   с   известью   и
солями   кальция   и   потому   могут   быть   использованы   для   консервирования
древесины, находящейся в контакте со штукатуркой.
Известен   антисептик   «уралит»,   который   состоит   из   Na2Cr2O7,   NaF   и
динитрофенола. Он используется для пропитки шпал и телеграфных столбов.
Для  защиты древесины от гниения используют  также борную  кислоту
∙   10h3O.   Эти   вещества   придают   древесине
Н3ВО3  и   буру   Na2B4O7
огнестойкость.   Кроме   того,   огнестойкость   древесины   достигается   ее
пропиткой силикатом натрия Na2SiO3, а также Nah3PO4 или Na2HPO4. Эти же
соединения   используются   для   придания   огнестойкости   тканям.   При
повышенных   температурах   образуются   легкоплавкие   соединения,   которые
покрывают   поверхность   волокон   (тканей   или   древесины)   тонкой   пленкой,
защищающей данные материалы от воспламенения.
Одним из существенных недостатков деревянных конструкций является
горючесть.   Для   повышения   огнестойкости   древесину   обрабатывают
растворами борной кислоты, соды Nа2СОз, соли (Nh5)2HPO4  или карбамида,
используемого обычно в качестве азотного удобрения.
Следует   отметить,   что   деревянные   детали,   изготовленные   из   березы,
тополя,   осины   и   обработанные   парами   аммиака,   прочны   и   устойчивы   к
действию кислот и щелочей. Естественно, что такая обработка может быть
проведена лишь в заводских условиях. Древесноволокнистые плиты получают из лесосечных отходов, отходов
деревообработки и из технологической щепы. Изготовление плит заключается
в   пропарке   и   размоле   древесного   сырья   до   волокон.   Волокнистая   масса
смешивается с клеем и в виде суспензии волокна в воде подается на сетку
отливной машины, где формируется волокнистый ковер. Затем следует сушка
ковра в роликовой сушильной камере. Так получают пористые мягкие плиты.
Для производства твердых плит после отжима воды из волокнистого ковра
его прессуют при нагревании, а затем «закаливают» выдерживанием в течение
нескольких   часов   в   камерах   при   150–170 °С.   Мягкие   плиты   используют   в
качестве утеплительного материала, а твердые для отделки внутренних стен и
потолков   вместо   мокрой   или   гипсовой   штукатурки.   Считают,   что   одна
пористая мягкая плита толщиной 12,5 мм по тепловым свойствам равноценна
сухой   доске   толщиной   в   40   мм   или   кирпичной   стенке   толщиной   в   один
кирпич.
Древесностружечные   плиты.
Сырьем   для   них   служат   отходы
деревообработки: стружка,  в  небольшом количестве  опилки, мелкие  куски
древесины,
Высушенное   древесное   сырье   смешивают   с
мочевиноформальдегидной   или   фенолформальдегидной   смолой   и   из   смеси
формируют на специальных формовочных машинах ковер плиты. Затем его
прессуют   при   температуре   100–140 °С.   Древесностружечные   плиты   могут
быть   облицованы   шпоном,   бумагой,   полимерными   пленками.   Взамен
древесины из них изготавливают внутренние перегородки помещений, двери,
подоконники, пол и другие детали. Эти плиты также идут на изготовление
мебели.
щепа.

Портландцементы с активными минеральными добавками

К этой группе гидравлических вяжущих веществ относят цементы, получаемые совместным помолом портландцементного клинкера и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием указанных компонентов после раздельного измельчения каждого из них.

Активные минеральные добавки представляют собой вещества, содержащие в основном аморфный активный кремнезем, легко вступающий в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция с образованием труднорастворимых гидросиликатов кальция. Поскольку портландцемент в процессе твердения выделяет гидроксид кальция, который растворим в воде и поэтому может вымываться из цементного камня, то наличие в составе портландцемента минеральной добавки повышает его водостойкость.

Активные минеральные добавки известны с давних времен, Еще в древнем Риме для придания гидравлических свойств воздушной извести добавляли вулканический пепел — пуццолану (названный по месту залежей вблизи г. Поццуоли в Италии). Отсюда и назвали активные добавки вулканического происхождения «пуццоланическими», а цементы с этими добавками «пуццолановыми».

Активные минеральные добавки разделяют на природные (диатомит, трепел, опока, вулканический пепел, пемза, трассы, туф) и искусственные (доменные гранулированные шлаки, золы от сжигания бурых углей, торфа, горючих сланцев, слабообожженные глины, глиежи, отходы керамического производства и др.).

Среди цементов этой группы различают цемент с минеральными добавками, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками и сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Портландцемент с минеральными добавками получают путем совместного измельчения портландцементного клинкера, минеральных добавок и гипса. В качестве добавок вводят доменные гранулированные шлаки или активные минеральные добавки осадочного происхождения, но не более 20% массы цемента. Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностноактивных добавок не более 0,3% массы цемента. Схватывание цемента протекает несколько замедленно. В ранние сроки твердения немного замедляется набор прочности. Портландцемент с минеральными добавками выпускают марок 400, 500, 550 и 600.

Этот цемент успешно применяют при приготовлении бетонов вместо портландцемента за исключением случаев, когда требуется высокая морозостойкость бетона.

Пуццолановым портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким помолом цементного клинкера, гипса и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием этих материалов, измельченных раздельно.

Содержание активных минеральных добавок в пуццолановом портландцементе должно составлять в % по массе цемента: добавок вулканического происхождения (пемза, пепел, туфы, трассы), обожженных глин, глиежа или топливной золы не менее 25 и не более 40, добавок осадочпого происхождения {диатомит, трепел, опока) — не менее 20 и не более 30.

Пуццолановый портландцемент выпускают марок З00 и 400. Цвет цемента светлый; плотность в рыхлом состоянии 800 — 1000, в уплотненном — 1200 — 1600 кг/м3, водопотребность 30 — 38%. Сроки схватывания, тонкость помола и равномерность изменения объема пуццоланового портландцемента такие же, как и у обыкновенного портландцемента.

Пуццолановый портландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом, изготовленным из того же клинкера. Однако после 3 — 6 мес твердения во влажной среде бетоны на пуццолановом пор-ландцементе достигают той же прочности, что и бетоны на портландцементе.

Пуццолановый портландцемент при твердении выделяет меньше теплоты, чем портландцемент. Это обстоятельство позволяет широко использовать пуццолановый портландцемент при бетонировании больших массивов, например гидротехнических сооружений, где очень опасны температурные деформации конструкций. Однако при температуре ниже 10оC твердение его резко замедляется и даже совсем прекращается. Наоборот, при повышенных температурах пуццолановый портландцемент твердеет более интенсивно, чем портландцемент. Поэтому изделия из бетона на этом цементе целесообразно подвергать тепловлажностной обработке в пропарочных камерах и автоклавах.

Бетоны на пуццолановых портландцементах имеют более высокую водостойкость и водонепроницаемость, чем на портландцементах. Однако пуццолановый портландцемент не морозостоек, поэтому не рекомендуется его применять при возведении конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

Пуццолановый портландцемент используют наряду с портландцементом для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций (как сборных, так и монолитных). Вследствие повышенной сульфатостойкости его употребляют для бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных частей сооружений, подвергающихся воздействию мягких и сульфатных вод. Следует учитывать, что в сухих условиях эксплуатации твердение бетона на этом цементе практически прекращается, поэтому в течение первых двух недель бетоны необходимо систематически увлажнять и предохранять от высыхания.

Шлакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака с добавлением небольшого количества гипса, вводимого для регулирования сроков схватывания и активизации твердения шлака. Шлакопортландцемент можно изготовлять и путем смешивания тех же исходных материалов, но измельченных раздельно. Содержание доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 21 и не более 60% по массе цемента.

Шлакопортландцемент выпускают марок З00, 400 и 500. Он сероватого цвета с голубоватым оттенком, отличается от других видов цемента тем, что содержит большое количество металлических частиц, выявляемых магнитом. Плотность его в рыхлом состоянии 1000 — 1300, а в уплотненном — 1400 — 1800 кг/м3, нормальная густота цементного теста 26 — 30%; тонкость помола и равномерность изменения объема такие же, как и у портландцемента.

Тепловыделение шлакопортландцемента при твердении меньше, чем у портландцемента, но он обладает большей жаро-, водо- и сульфатостойкостью. Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже.

У шлакопортландцемента по сравнению с портландцементом несколько замедлено нарастание прочности в начальные сроки твердения. В более отдаленные сроки твердения прочность возрастает и через 2 — 3 мес превосходит прочность портландцемента той же марки. Замедление твердения особенно ярко проявляется при пониженных температурах, однако это не является препятствием к широкому применению шлакопортландцемента, а повышение температуры при достаточной влажности окружающей среды резко ускоряет твердение. Бетоны на шлакопортландцементе, подвергаемые тепловлажностной обработке при 80 — 95оС, набирают более высокую прочность, чем бетоны на портландцементе той же марки, твердеющие в тех же условиях.

Разновидность шлакопортландцемента — быстротвердеющий шлакопортландцемент, который отличается от обычного меньшим содержанием гранулированного доменного шлака (не более 50%) и более высокой тонкостью помола. Быстротвердеющий шлакопортландцемент марки 400 характеризуется интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения, которое особенно ускоряется в условиях тепловлажностной обработки.

Шлакопортландцемент с успехом можно применять для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций, твердеющих в пропарочных камерах. Целесообразно использовать шлакопортландцемент в конструкциях горячих цехов и в гидротехнических сооружениях, подвергающихся сульфатной агрессии. Из него, как и из пуццоланового портландцемента приготовляют строительные кладочные и штукатурные растворы. Не рекомендуется шлакопортландцемент для конструкций, которые находятся под систематическим воздействием попеременного замораживания и оттаивания или увлажнения и высушивания.

Массовый выпуск и широкое применение пуццолановых цементов и шлакопортландцементов можно объяснить не только наличием ряда положительных свойств по сравнению с портландцементом, но и меньшей стоимостью (примерно на 15 — 20%).

Среди сульфатостойких цементов кроме сульфатостойкого портландцемента по вещественному составу различают еще сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками получают измельчением портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, активных минеральных добавок и гипса. В цементе допускается содержание гранулированного доменного шлака не менее 10 — 20% массы цемента и активных минеральных добавок осадочного происхожения (кроме глиежа) не менее 5 — 10%.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент — продукт, получаемый тонким помолом портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, шлака нормированного химического состава (не менее 21 — 60 % по массе цемента) и гипса.

Морозостойкость сульфатостойких цементов ниже, чем у сульфатостойкого портландцемента, но области применения те же.

Специальные цементы

Эта группа гидравлических вяжущих веществ резко отличается от цементов, изготовленных на основе портландцементного клинкера, видом исходного сырья, технологией производства, химическим и минералогическим составом, свойствами, а также областями применения. В нее входят — глиноземистый, расширяющийся и безусадочный цементы, а также гипсоцементнопуццолановое вяжущее.

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания или сплавления сырьевой смеси, богатой глиноземом. В качестве сырьевых материалов для получения глиноземистого цемента используют известняк или известь и породы с высоким содержанием глинозема Аl2О3, например, бокситы. Минералогический состав глиноземистого цемента характеризуется большим содержанием низкоосновных алюминатов кальция, главным из которых является однокальциевый алюминат СаО Аl2О3 .

Глиноземистый цемент имеет вид тонкого порошка серо-зеленого, коричневого или черного цвета. Плотность его в рыхлом состоянии — 1000 — 1300, а в уплотненном — 1600 — 1800 кг/м3, нормальная густота обычно 23 — 28%. Тонкость помола несколько выше тонкости помола портландцемента; при просеивании глиноземистого цемента через сито № 008 должно проходить не менее 90% пробы (по массе). Сроки схватывания глиноземистого цемента: начало — не ранее чем через 30 мин, конец — не позднее 12 ч с момента затворения цемента водой.

Процесс твердения глиноземистого цемента сопровождается значительным тепловыделением, что ограничивает его применение в массивных бетонных конструкциях, но является весьма полезным при производстве строительных работ в зимнее время.

Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при сжатии образцов-кубов в возрасте 3 сут после твердения в нормальных условиях. Цемент характеризуется интенсивным набором прочности в начальные сроки твердения: через 24 ч он набирает 80 — 90% марочной прочности.

Бетоны на глиноземистом цементе водонепроницаемы, стойки в условиях пресных и сульфатных вод, а также морозостойки. Они хорошо твердеют во влажной среде при 15 — 20%. При повышении температуры выше 25оC прочность бетона значительно снижается, поэтому бетоны на глиноземистом цементе нельзя подвергать пропариванию и другим методам искусственного нагрева, Нельзя смешивать глиноземистый цемент с портландцементом, так как при этом снижается его прочность.

Применение глиноземистого цемента ограничено его высокой стоимостью (он в 3 — 4 раза дороже портландцемента). Его используют при срочных ремонтных и аварийных работах, производстве работ в зимних условиях, для бетонных и железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию сильно минерализованных вод, получения жаростойких бетонов, а также изготовления расширяющегося и безусадочного цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы отличаются способностью при твердении во влажных условиях несколько увеличиваться в обьеме или не давать усадки. Промышленность выпускает водонепроницаемый расширяющийся цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, а также водонепроницаемый безусадочный цемент.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало — ранее 4 мин, конец — не позднее 10 мин с момента затворения. Линейное расширение образцов из цементного теста, твердеющих в воде в течение 1 сут, должно быть в пределах 0,3 — 1%. Физико-химическая сущность процесса расширения цемента заключается в том, что в результате взаимодействия алюминатов кальция и гипса происходит образование гидросульфатоалюмината кальция, сопровождающееся увеличением объема.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) применяют для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов, раструбных соединений, создания гидроизоляционных покрытий, заделки стыков и трещин в железобетонных конструкциях и т.д. Его нельзя применять в конструкциях, эксплуатируемых при температуре выше 80оС.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) — быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 1 мин, а конец — не позднее 5 мин с момента затворения. Величина относительного линейного расширения образцов из цементного теста через 1 сут их твердения в воде должно находиться в пределах 0,01 — 0,1%.

Цемент применяют для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетонных и железобетонных подземных сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т. п).

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) получают смешением 50 — 75% полуводного (строительного или высокопрочного) гипса, 15 — 25% портландцемента и 10 — 25% пуццоланической (гидравлической) добавки. Вместо портландцемента целесообразно применять пуццолановый портландцемент с необходимым количеством активной добавки, а также шлакопортландцемент.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее выпускают марок 100 и 150. Оно характеризуется быстрым твердением и повышенной водостойкостью. Прочность бетонов на ГЦПВ 15 — 30 МПа, причем уже через 2 — 3 ч после их приготовления прочность достигает 30 — 40% марочной, коэффициент размягчения — 0,6 — 0,8; морозостойкость — 25 — 50 циклов. Для ускорения твердения бетонов на ГЦПВ их пропаривают при 70 — 80оC, при этом через 5 — 8 ч прочность бетона достигает 70 — 90% конечной.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее применяют для изготовления панелей основания пола, санитарно-технических кабин, вентиляционных блоков и других изделий.


Добавка к бетону и раствору

Изобретение относится к сополимерам для добавки к бетону или цементному раствору. Сополимер состоит из структурных звеньев: от 0,1 до 50 мол.% звеньев, полученных из этиленненасыщенного мономера (а), имеющего на один моль от 25 до 300 моль С23 оксиалкиленовых групп, от 0,1 до 49,9 мол.% звеньев, полученных из мономера алкил, алкенил или гидроксильного сложного эфира этиленненасыщенной моно- или дикарбоксильной кислоты, от 0,1 до 90 мол.% звеньев, полученных из мономера, выбранного из группы, состоящей из этиленненасыщенной монокарбоксильной кислоты, ее соли, этиленненасыщенной дикарбоксильной кислоты, ее ангидрида и ее соли, и необязательно до 30 мол.% других мономеров, выбранных из группы, включающей винилацетат, стирол, винилхлорид, акрилонитрил, металлил сульфокислоту, акриламид, метакриламид и стиролсульфокислоту. Технический результат — достижение оптимальной подвижности бетона с обеспечением требуемой консистенции, текучести и удобоукладываемости. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 табл.

Техническая область деятельности

Данное изобретение относится к добавке к бетону и/или раствору. Более точно оно имеет отношение к добавке к бетону и/или раствору, которая позволяет достигнуть оптимальной подвижности и в то же время может поддерживать необходимую консистенцию, текучесть и удобоукладывемость бетона независимо от типа цемента.

Известный уровень техники

Цемент

Портландцемент, основной компонент бетона и/или раствора, является кальцийсиликатным цементом, приготовленным сочетанием кальция, кремния, алюминия и железа.

Для удовлетворения различных физических и химических требований производят различные типы портландцемента. Американское общество по испытанию материалов (ASTM) Спецификация С-150 предусматривает 8 типов портландцемента и использует римские нумерационные обозначения, как указано ниже:

— Тип I Обычный

— Тип IA Обычный, воздухововлекающий

— Тип II Средний, сульфатостойкий

— Тип IIA Средний, сульфатостойкий, воздухововлекающий

— Тип III Высший, быстротвердеющий

— Тип IIIA Высший, быстротвердеющий, воздухововлекающий

— Тип IV Низкотермичный

— Тип V Высший, сульфатоустойчивый

Также в соответствии с Европейской Стандартной Нормой EN 197-1 существует 5 основных типов цемента:

— CEM I Портландцемент: содержащий портландцемент и до 5% второстепенных добавляемых компонентов

— CEM II Портланд-композитный цемент: содержащий портландцемент и до 35% других отдельных компонентов

— CEM III Доменный цемент: содержащий портландцемент и повышенный процент доменного шлака

— CEM IV Пуццолановый цемент: содержащий портландцемент и повышенный процент пуццолана

— CEM V Композитный цемент: содержащий портландцемент и повышенные проценты доменного шлака и пуццолана или золы уноса.

Описанные основные типы цемента могут быть разделены на подтипы в зависимости от второго компонента цемента, который может быть доменным шлаком, кварцевой пылью, природным пуццоланом, природным прокаленным пуццоланом, кремневой золой уноса (например, порошкообразная топливная зола), известковой золой уноса (например, зола уноса с повышенным содержанием извести), известняком, горючим сланцем или смесью из этих компонентов.

В дополнение к различным типам портландцемента производится ряд гидравлических цементов для специальных целей. Среди них есть белый цемент. Белый портландцемент идентичен серому портландцементу, за исключением цвета. Во время процесса производства производители выбирают сырье, которое содержит очень незначительное количество оксидов железа и магния, веществ, которые придают серому цементу его цвет. Белый цемент используется для декоративных отделок, чтобы получить специфичный белый или цветной бетон или раствор.

Гидравлические цементы с добавками получают путем тщательного смешивания двух или более типов цементных материалов. Основными смешиваемыми материалами являются портландцемент и пуццоланы, размолотый гранулированный доменный шлак (побочный продукт производства стали в доменных печах), зола уноса (побочный продукт сжигания угля), кварцевая пыль известкового камня и природные пуццоланы.

Поццоланы (пуццоланы) являются вулканическими туфами типа обнаруженного рядом с Поццоли на юге Италии, которые в соединении с известью использовались древними римлянами в растворах, которые применялись для многих из их зданий. В производстве бетонных смесей термин пуццолан используется для описания порошкообразного материала, который при добавлении к цементу в бетонной смеси реагирует с известью, выделенной гидратацией цемента, создавая соединения, которые увеличивают прочность и другие свойства бетона.

Гидравлические цементы с добавками отвечают требованиям ASTM C-1157, ASTM C-595 или EN 197-1 (CEM II, CEM III, CEM IV и CEM V).

Гидравлические цементы с добавками в основном используются так же, как портландцемент. Однако из-за защиты окружающей среды (требования по устранению выбросов диоксида углерода по Киотскому Протоколу) использование цементов (гидравлических) с добавками в строительной промышленности становится более важным.

Из-за того, что цемент производится в цементной печи, в которой сжигают известняк, глину и разнообразные другие материалы при температуре около 1400°С, производится приблизительно от 1 до 3 тонн диоксида углерода на каждую тонну цемента. Цементное производство является причиной приблизительно 5-15% общемирового производства диоксида углерода.

Выгоды от использования цемента (гидравлического) с добавками значительны. Например, при смешивании пуццоланов с цементом количество смеси почти полностью заменяет количество диоксида углерода, произведенного в процессе цементного клинкирования. Например, смесь с добавлением 50% золы уноса заменяет 0,5 тонны диоксида углерода на каждую тонну используемого цемента.

Наконец, расширяющиеся цементы являются гидравлическими цементами, которые немного расширяются в период раннего отверждения после схватывания.

Раствор

Раствор является строительным продуктом смешивания цемента и песка, обычно с размером частиц меньше 4 мм (иногда меньше 8 мм, например раствор для специальных декоративных целей или выравниваемый раствор для пола). При смешивании воды с раствором его связующий элемент активизируется. Различают раствор из «бетона», который действует в похожем ключе, но который содержит крупнозернистый каменный материал, связываемый цементом. Бетон может держаться только пока раствор удерживает вместе кирпич или камень.

Бетон

В своей простейшей форме бетон является смесью из цементного теста и каменного материала. Цементное тесто, состоящее из цемента и воды, покрывает поверхность крупного и мелкого каменных материалов. Благодаря химической реакции, называемой гидратацией, цементное тесто затвердевает и получает возможность сформировать камнеподобную массу, известную как бетон.

Внутри этого процесса лежит ключ к замечательному свойству бетона: он пластичный и податливый, когда только смешан, и крепкий и прочный, когда затвердевает.

Ключ к достижению крепкого, прочного бетона находится в тщательном подборе пропорции и смешении ингредиентов. Бетонная смесь, которая не имеет достаточного количества цементного теста, чтобы заполнить все пустоты между каменным материалом, будет трудно укладываться, и будут получаться неровные, сотообразные поверхности и пористый бетон. Смесь с избытком цементного теста будет легко укладываться, и будет получаться ровная поверхность; однако конечный бетон будет скорее всего сильно усаживаться и будет неэкономичным.

Следовательно, проектная бетонная смесь должна обладать нужной удобоукладываемостью для свежего бетона и требуемой прочностью и крепкостью для затвердевшего бетона. Обычно смесь состоит из примерно от 10 до 15 масс.% цемента, от 60 до 75 масс.% каменного материала и от 15 до 20 масс.% воды. Вовлеченный воздух во многих бетонных смесях может также занимать от 5 до 8 масс.%.

Добавки

Добавки являются компонентами бетона, отличными от цемента, воды и каменного материала, которые добавляются к смеси непосредственно перед или во время перемешивания. Добавки в подавляющем большинстве химически взаимодействуют с компонентами бетона и влияют на свойства и характеристики свежего и затвердевшего бетона и на его прочность.

Добавки, которые, главным образом, химически взаимодействуют с компонентами бетона, используются в основном для уменьшения цены бетонной конструкции, чтобы изменить свойства затвердевшего бетона, чтобы обеспечить качество во время перемешивания, транспортировки, укладки и отверждения и чтобы избежать определенных чрезвычайных ситуаций во время операций с бетоном.

Эффективность добавки зависит от нескольких факторов, включающих тип и количество цемента, содержание воды, время перемешивания, осадку конуса и температуру бетона и воздуха. Большинство органо-химических видов добавок подвержены влиянию типа и качества цемента, водоцементного соотношения, вида каменного материала и температуры.

Добавки классифицируются в соответствии с функциями. Существует 5 определенных классов химических добавок: воздухововлекающие, уменьшающие количество воды, замедляющие, ускоряющие и пластификаторы (суперпластификаторы). Все другое разнообразие добавок относится к специальной категории, функции которых включают замедление коррозии, уменьшение усадки, уменьшение щелочно-кремнеевой реакционоспособности, повышение удобоукладываемости, повышение сцепления с арматурой, водонепроницаемость и окрашивание.

Добавки, уменьшающие количество воды, обычно снижают требуемое содержание воды для бетонной смеси приблизительно на 5-10%. Следовательно, бетон, содержащий такую добавку, требует меньше воды для достижения необходимой осадки конуса, чем бетон, не содержащий такую добавку. Бетон, подвергнувшийся данному воздействию, может иметь более низкое водоцементное соотношение. Это обычно означает, что можно достичь более высокой прочности бетона без увеличения количества цемента.

Замедляющие добавки, уменьшающие скорость отверждения бетона, используются, чтобы нейтрализовать эффект теплой погоды, ускоряющий отверждение бетона. Высокая температура часто является причиной, увеличивающей скорость затвердевания, что затрудняет укладку и отделку. Замедлители сохраняют бетон удобоукладываемым во время укладки и замедляют первоначальное схватывание бетона. Большинство замедлителей имеют такую же функцию, как и добавки, уменьшающие количество воды, и могут вовлекать некоторое количество воздуха в бетон.

Ускоряющие добавки увеличивают скорость быстрого набора прочности, уменьшают время, требуемое для истинного отверждения и защиты, и приближают начало отделочных операций. Ускоряющие добавки особенно полезны для изменения свойств бетона в холодную погоду.

Суперпластификаторы, также известные как пластификаторы или добавки, уменьшающие количество воды в широком диапазоне (HRWR), уменьшают содержание воды от 12 до 30% и могут быть добавлены к бетону с низкой или нормальной осадкой конуса и водоцементным соотношением для получения подвижного бетона с высокой осадкой конуса. Подвижный бетон является высокотекучим, но удобоукладываемым бетоном, который может быть уложен с небольшой вибрацией или вообще без вибрации или уплотнения. Обычно действие суперпластификаторов длится только от 30 до 60 минут, в зависимости от типа и скорости дозировки, и сопровождается быстрой потерей удобоукладываемости. В результате из-за уменьшения осадки конуса (проблематичное удержание подвижности) суперпластификаторы обычно добавляются к бетону в месте проведения работ.

Существует очень большое разнообразие суперпластификаторов, описанных в современной технике. Примеры включают соли нафталинсульфокислоты/формальдегид конденсаты (нафталиновые производные), соли меламинсульфокислоты/формальдегид конденсаты (производные меламина), соли сульфаниловой кислоты/фенолформальдегид соконденсаты (производные аминосульфаниловой кислоты), суперпластификаторы, основанные на поликарбоксилате, суперпластификаторы, основанные на полиэфире, и т.д.

Суперпластификаторы, основанные на поликарбоксилате (РС), имеют поликарбоксильные звенья и этиленоксидные полимерные звенья в качестве боковых цепей и представляют собой химическую структуру согласно формуле (а):

где q=10-30.

Суперпластификаторы, основанные на полиэфире (PE), имеют главные цепи с карбоксильными звеньями и очень длинные боковые цепи этиленоксидных полимерных звеньев и представляют собой химическую структуру согласно формуле (b):

где р≥110.

Даже из этих добавок каждая имеет некоторые недостатки, хотя обладает отличными свойствами.

Другой суперпластификатор, описанный в международной патентной заявке WO A-9748656, представляет добавку к бетону, которая включает сополимер, содержащий в качестве структурных звеньев производные от этиленненасыщенного мономера (а), имеющего от 25 до 300 моль С23 оксиалкиленовых групп на моль сополимера, и звенья, производные от мономера (b) из алкил, алкенил и гидроксил сложного эфира этиленненасыщенной моно- или дикарбоксильной кислоты. Описанный сополимер может в дальнейшем содержать группы, производные от мономера (с), в качестве структурных звеньев. Мономер (с) является этилен ненасыщенной монокарбоксильной кислотой или ее солью. В случае, когда сополимер содержит мономерное звено (с), соотношение групп (а), (b) и (с) составляет от 0,1 до 50 мол.%, от 50 до 90 мол.% и от 0,1 до 50 мол.% соответственно. Предпочтительно соотношение групп (а), (b) и (с) — от 5 до 40 мол.%, от 50 до 90 мол.% и от 5 до 40 мол.% соответственно. Наиболее предпочтительно соотношение групп (а), (b) и (с) — от 10 до 30 мол.%, от 50 до 70 мол.% и от 10 до 30 мол.% соответственно.

Хотя добавки, описанные в международной патентной заявке WO A-9748656, являются полезными для поддержания подвижности бетона в приемлемый период времени (около двух часов), они являются очень зависимыми от типа используемого цемента, и рабочее время для укладки и отделочных операций соответственно удлиняется.

Бетонная добавка, представленная в данном изобретении, не имеет подобных недостатков, описанных в данной части. В частности, бетонная добавка, представленная в данном изобретении, позволяет достигнуть оптимальной подвижности и в то же время может поддерживать нужную консистенцию, текучесть и удобоукладываемость бетона. Бетонные добавки, представленные в данном изобретении, демонстрируют сокращенное время работы и в то же время поддерживают подвижность бетона в течение долгого периода времени и могут работать с различными типами цемента, даже с гидравлическим цементом с добавками, включающим портландцемент и высокий процент других компонентов и являющимся цементом типов CEM II, III, IV и V (в соответствии с EN 197-1). Это позволяет контролировать качественные параметры бетона даже при различных погодных условиях (температура, водоцементное соотношение и т.д.) независимо от типа цемента.

Сущность изобретения

Для того чтобы решить проблемы, указанные в предыдущей части, данное изобретение предусматривает сополимер, состоящий из структурных звеньев:

i) от 0,1 до 50 мол.% звеньев, производных этиленненасыщенного мономера (а), имеющего на 1 моль 25-300 моль С23 оксиалкиленовых групп.

ii) от 0,1 до 49,9 мол.% звеньев, производных мономера (b) алкил, алкенил и гидроксиалкил сложного эфира этиленненасыщенной моно- или дикарбоксильной кислоты.

iii) от 0,1 до 90 мол.% звеньев, полученных из мономера (с), выбранного из группы, содержащей этиленненасыщенную монокарбоксильную кислоту, ее соль, этилен ненасыщенную дикарбоксильную кислоту, ее ангидрид и ее соль; и,

iv) необязательно, до 30 мол.% других мономеров.

Данное изобретение также предусматривает способ диспергирования цементной смеси, в которую сополимер данного изобретения добавляется один или в сочетании с другими добавками, предпочтительно использование смеси на основе гидравлического цемента с добавками.

Данное изобретение также предусматривает состав бетона, включающий цемент, каменный материал, воду и сополимер, представленный в данном изобретении.

Данное изобретение также предусматривает состав раствора, включающий цемент, песок, воду и сополимер, представленный в данном изобретении.

Подробное описание изобретения

В сополимере, представленном в данном изобретении, этиленненасыщенный мономер (а), имеющий от 25 до 300 моль С23 оксиалкиленовых групп, включает (мет)акриловые сложные эфиры С14 алкоксиполиамингликолей, полиалкиленгликольные моноаллил простые эфиры; и продукты присоединения дикарбоксильных кислот, таких как малеиновый ангидрид, итаконовый ангидрид, цитраконовая кислота, акриламид и акрилалкиламид с С23 оксиалкиленовыми группами. Предпочтительнее примеры мономера (а) включают те мономеры, которые описываются общей формулой (I):

где R1 и R2 являются атомом водорода или метилом, АО является С23 оксиалкиленовой группой, n является числом от 25 до 300, и Х является атомом водорода или С13 алкильной группой.

Мономер (а) получают способом, известным специалистам в данной области техники. Обычно в спирт, представленный формулой R-OH, где R является алкильной группой, имеющей от 1 до 22 атомов углерода, фенильной группой или алкилфенильной группой, имеющей от 1 до 22 атомов углерода, вводится алкокси группа, предпочтительно этилен оксида и/или пропилен оксида, используя необходимые катализаторы при температуре в диапазоне 80-155°С. Описанный алкоксилированный спирт этерифицируется с карбоксильной кислотой, такой как акриловая кислота, метакриловая кислота, кротоновая кислота, малеиновая кислота, итаконовая кислота, цитраконовая кислота и фумаровая кислота и их солями.

Характерные примеры мономера (а), представленного выше формулой (I), включают акриловые и метакриловые сложные эфиры полиалкиленгликолей, заканчивающихся алкильной группой с одного конца, такие как метоксиполиэтиленгликоль, метоксиполиэтиленполипропиленгликоль, этоксиполиэтиленгликоль, этоксиполиэтиленполипропиленгликоль, пропоксиполиэтиленгликоль, пропоксиполиэтиленполипропиленгликоль; и продукты присоединения акриловой и метакриловой кислот к этиленоксиду и пропиленоксиду.

Молярное дополнительное число оксиалкиленовой группы от 25 до 300. Когда используются и этиленоксид, и пропиленоксид, сополимер может принять любую форму: беспорядочного присоединения, присоединения блоками и чередующегося присоединения. Предпочтительно, с точки зрения того, чтобы не получалось задержки при отверждении бетона, чтобы число оксиалкиленовой группы было 50 или выше, лучше 80 и выше. Когда число превышает 300, будет низкой не только полимеризационная способность мономера, но также конечный сополимер будет обладать низкой дисперсионной способностью.

Предпочтительные примеры алкил, алкенил и гидроксиалкил сложного эфира этиленненасыщенной моно- и дикарбоксильной кислоты, которая используется в качестве мономера (b) в данном изобретении, отличного от мономера (а), включают ненасыщенный монокарбоксилатный сложный эфир, представленный, например, следующей общей формулой (II):

где R3 является атомом водорода или метилом, и R4 является С118 алкильной или С218 алкенильной группой или С26 гидроксиалкильной группой.

Характерные примеры мономера (b) включают С118 линейные и разветвленные алкил(мет)акрилаты; С118 линейные и разветвленные алкенил(мет)акрилаты; С26 гидроксиалкил(мет)акрилаты; ди(С118 линейные и разветвленные алкил) сложные эфиры малеиновой кислоты, фумаровой кислоты, итаконовой кислоты и цитраконовой кислоты. Особенно желательно по отношению к растворимости сополимера в воде, чтобы R4 в приведенной выше общей формуле (II) имел от 1 до 4 атомов углерода, однако R4 не особенно ограничен в форме и может быть и линейным, и разветвленным.

В сополимере, представленном в данном изобретении, мономером (с) является этиленненасыщенная монокарбоксильная кислота или ее соль, или этиленненасыщенная дикарбоксильная кислота, ее ангидрид или соль, и мономер может быть представлен, например, следующей общей формулой (III):

где М1 является атомом водорода, щелочным металлом, щелочно-земельным металлом, аммонием, алкиламмонием или замещенной алкиламмониевой группой; R5 и R7 являются атомами водорода, метилом или (СН2)m2COOM2; R6 является атомом водорода или метилом; М2 имеет такое же определение, как и М1; m2 является 0 или 1.

Характерные примеры мономера (с), которые используются, включают мономеры монокарбоксильной кислоты, такой как акриловая кислота, метакриловая кислота и кротоновая кислота и их соли с щелочными металлами, аммонием, аминами и замещенными аминами, и мономеры ненасыщенной дикарбоксильной кислоты, такой как, малеиновая кислота, итаконовая кислота, цитраконовая кислота и фумаровая кислота и их соли с щелочными металлами и щелочно-земельными металлами, аммонием, аминами и замещенными аминами.

Кроме того, сополимер может содержать другие сомономеры, до такой степени, пока они не будут неблагоприятно влиять на эффекты данного изобретения; в максимальном количестве до 30 мол.%, предпочтительно 20 мол.%, наиболее предпочтительно 5 мол.%. Примеры подобных сомономеров включают винилацетат, стирол, винилхлорид, акрилонитрил, металлил сульфокислоту, акриламид, метакриламид и стиросульфокислоту. Наиболее предпочтительными являются сополимеры, которые содержат структурные группы от мономеров (а), (b) и (с).

Сополимер, соответствующий данному изобретению, хорошо сохраняет подвижность, особенно когда содержание звеньев (а), (b) и (с) составляет от 0,1 до 50 мол.%, от 0,1 до 49,9 мол.% и от 0,1 до 90 мол.% соответственно. Особенно, когда содержание звеньев (а), (b) и (с) составляет от 1 до 30 мол.%, от 5 до 45 мол.% и от 10 до 90 мол.% соответственно, даже более предпочтительно, когда содержание звеньев (а), (b) и (с) составляет от 5 до 20 мол.%, от 10 до 40 мол.% и от 25 до 80 мол.% соответственно, окончательный сополимер не показывает почти никакой потери текучести и демонстрирует сокращенное рабочее время независимо от типа используемого бетона.

Сополимер, соответствующий данному изобретению, может быть приготовлен известными способами, например полимеризацией в растворе, как описано в WO-A-9748656. Это значит, что сополимер может быть приготовлен полимеризацией мономеров (а), (b) и (с) в подходящем растворителе при описанном выше реакционном соотношении.

Растворители, которые используются в полимеризации в растворе, включают воду, метиловый спирт, этиловый спирт, изопропиловый спирт, бензол, толуол, ксилол, циклогексан, н-гексан, этилацетат, ацетон, метилэтилкетон и так далее. Предпочтительно с точки зрения управляемости и реакционного оборудования использовать воду, метиловый спирт, этиловый спирт и изопропиловый спирт.

Примеры инициатора полимеризации, пригодного к использованию в водной среде, включают соли аммония и щелочных металлов надсерной кислоты; пероксид водорода; водорастворимые азосоединения, такие как 2,2′-азобис(2-амидинопропан)дигидрохлорид и 2,2′-азобис(2-метилпропионамид)дигидрат. Примеры инициатора полимеризации, пригодного для использования в проводящейся растворной полимеризации в неводной среде, включают пероксиды, такие как пероксид бензоила и пероксид лауроила, и алифатические азосоединения, такие как азобисизобутиронитрил.

Ускорители полимеризации, такие как кислый сульфит натрия и соединения амина, могут быть использованы одновременно с инициатором полимеризации. Кроме того, агент передачи цепи, такой как 2-монотиогликоль, меркаптоуксусная кислота, 1-меркаптоглицерин, меркаптоянтарная кислота или алкилмеркаптан, может быть одновременно использован для контроля молекулярной массы.

Предпочтительно, чтобы сополимер, представленный в данном изобретении, имел средневесовую молекулярную массу (Mw) от 8000 до 1000000, более предпочтительно от 10000 до 300000 (в пересчете на полиэтиленгликоль, определяется гель проникающей хроматографией). Когда молекулярный вес является большим, сополимер будет обладать низким дисперсионным свойством, если молекулярный вес низкий, сополимер будет иметь в плане постоянную подвижность.

Молекулярный вес, по существу, определяется степенью полимеризации (т.е. общей суммой структурных звеньев мономеров (а), (b) и (с) в основной цепи) и степенью введения алкоксильной группы мономера (а). Чем выше степень введения алкоксильной группы мономера (а), тем ниже обычно степень полимеризации в основной цепи. Предпочтительные диапазоны указаны в следующей таблице.

Степень введения акоксильной группы (моль)25-100100-200200-300
Основная цепь (моль)200-5050-2525-15

Предпочтительно, чтобы количество сополимера как 100% активного вещества, добавленного к бетону и/или раствору, составляло от 0,02 до 1% от массы, более предпочтительно от 0,05 до 0,5% от массы исходного цемента в пересчете на твердое вещество.

Состав добавки к бетону и/или раствору, включающей сополимер, представленный в данном изобретении, также является частью данного изобретения. Описанный выше состав добавки может также содержать, по крайней мере, один суперпластификатор, отличный от сополимера данного изобретения, выбранный из группы, состоящей из производных нафталина, производных меламина, производных аминосульфокислоты, суперпластификаторов, основанных на поликарбоксилате, и суперпластификаторов, основанных на полиэфире.

Примеры суперпластифицирующих агентов включают производные нафталина, такие как Mighty 150 (продукт Kao Corporation), производные меламина, такие как Mighty 150 V-2 (продукт Kao Corporation), производные аминосульфокислоты, такие как Paric FP (продукт Fujisawa Chemicals), и производные поликарбоксильной кислоты, такие как Mighty 2000 WHZ (продукт Kao Corporation). Среди этих известных суперпластифицирующих агентов наиболее предпочтительны для использования Mighty 21 EG, Mighty 21 ES, Mighty 21 ER (продукт Kao Chemicals Gmbh), которые являются сополимерами, полученными путем сополимеризации моноэфирного мономера полиалкиленгликоля, где полиалкиленгликольная половина состоит из от 110 до 300 моль оксиалкиленовых групп, имеющих от 2 до 3 атомов углерода, с мономером акриловой кислоты. Также, в частности, предпочтительны для использования сополимеры, описанные в WO-A-9748656.

С точки зрения поддержания подвижности предпочтительно, чтобы массовое соотношение сополимера данного изобретения к суперпластификатору составляло от 10:90 до 90:10.

Состав добавки данного изобретения может использоваться в сочетании с другими известными добавками. Примеры подобных добавок включают воздухововлекающий реагент, реагент для уменьшения содержания воды, пластификатор, замедляющий реагент, усилитель раннего отверждения, ускоритель, вспенивающий агент, газообразующее средство, антивспенивающее средство, сгуститель, водоотталкивающее средство, пеногаситель, кварцевый песок, доменный шлак, золу уноса, кварцевую пыль, известняк и так далее.

Добавка данного изобретения может добавляться к цементной смеси как одна, так и в сочетании с другими добавками, предпочтительно к гидравлическим цементам с добавками, упомянутым гидравлическим цементам с добавками, состоящим предпочтительно из 5-95% цемента и из 5-95% других компонентов. Примеры цементной смеси включают портланд-шлаковый цемент (СЕМ II/A-S и СЕМ II/B-S), портландцемент с силикатной пылью (СЕМ II/A-D), портланд-пуццолановый цемент (СЕМ II/A-P, СЕМ II/B-P, СЕМ II/A-Q и СЕМ II/B-Q), портландцемент с золой уноса (СЕМ II/A-V, СЕМ II/B-V, СЕМ II/A-W и СЕМ II/B-W), портландцемент с горючим сланцем (СЕМ II/A-T и СЕМ II/B-T), портланд известковый цемент (СЕМ II/A-L, СЕМ II/A-LL, СЕМ II/B-L и СЕМ II/B-LL), портланд композитный цемент (СЕМ II/A-M и СЕМ II/B-M), доменный цемент (СЕМ III/A, СЕМ III/B и CEM III/C), пуццолановый цемент (СЕМ IV/A и СЕМ IV/B) и композитный цемент (СЕМ V/A и СЕМ V/B).

Изобретение также предусматривает способ диспергирования цементной смеси, который включает добавление к цементной смеси, предпочтительно к гидравлическими цементам, добавки описанного в данном изобретении состава, одной либо в сочетании с другими добавками.

Данное изобретение также предусматривает состав бетона, включающий цемент, каменные материалы, воду и добавку описанного в данном изобретении состава либо одну, либо в сочетании с другими добавками.

Данное изобретение также предусматривает состав раствора, включающий цемент, песок, воду и добавку описанного в данном изобретении состава либо одну, либо в сочетании с другими добавками.

Следующие примеры приведены для того, чтобы обеспечить специалиста в этой области техники достаточно ясным и полным объяснением данного изобретения, но они не должны рассматриваться в качестве ограничивающих те существенные аспекты этой темы, которые представлены в предшествующих частях этого описания.

ПРИМЕРЫ

Средневесовая молекулярная масса (Mw) сополимеров, указанная в примерах, определяется гельпроникающей хроматографией (ГПХ) в пересчете на полиэтиленгликоль.

Пример 1 (Добавка С-1)

Вода (211 моль) была помещена в реактор, оборудованный мешалкой, и окончательная система продувалась азотом при перемешивании при последовательном нагреве до 75°С в азотной атмосфере. Раствор, включающий 0,05 моль метоксиполиэтиленгликоль метакрилата (имеющего в среднем 280 моль этилен оксида), 0,4 моль этилакрилата и 0,55 моль акриловой кислоты, 20% по массе водный раствор персульфата аммония (0,05 моль) (1) и 20% по массе водный раствор 2-меркаптоэтанола (0,1 моль) были одновременно и отдельно друг от друга введены в реактор на 2 часа. Затем в реактор на 30 минут был введен 20% по массе водный раствор персульфата аммония (0,02 моль) (2). Окончательная смесь была оставлена при температуре (75°С) на 1 час и после этого нагрета до 95°С. В окончательную смесь был введен в течение 30 минут 35% по массе раствор пероксида водорода (0,2 моль) и смесь, полученная таким образом, была оставлена при данной температуре (95°С) на 2 часа. После завершения выдерживания к смеси был добавлен 48% по массе водный раствор гидроксида натрия (0,39 моль). Таким образом, был получен сополимер, имеющий средневесовую молекулярную массу 130000.

В такой же манере, как описывалось выше, но с реакционными условиями, указанными в таблице 1 и таблице 2, были получены сополимеры, описанные в данном изобретении, и сравнительные эксперименты.

Краткое описание мономеров, использованных для приготовления сополимеров, соответствующих данному изобретению, и сравнительных примеров представлено в таблице 3 и таблице 4.

Таблица 1
Реакционные условия — сополимеры, соответствующие изобретению
Вода (моль)Аммония персульфат (моль)2-меркаптоэтанол (моль)Н2О2 (моль)NaOH (моль)Mw (средняя масса)
(1)(2)
С-12110,050,020,100,200,39130000
С-2720,050,020,100,200,3262000
С-3450,050,020,080,200,3555000
C-460*0,020,080,150,3965000
C-5500,050,020,080,200,4655000
C-61020,050,020,040,200,42115000
C-7540,050,020,080,1534000
C-8320,050,010,080,020,1837000
C-9560,050,020,080,200,3585000
C-10560,050,020,080,200,3583000
C-11560,050,020,080,200,3582000
*0,02 моль 2,2′- азобис(2-амидинопропан)дигидрохлорида.
Таблица 2
Реакционные условия — сополимеры — сравнительные примеры
Вода (моль)Аммония персульфат (моль)2- меркаптоэтанол (моль)Н2О2 (моль)NaOH (моль)Mw (средняя масса)
(1)(2)
С-1300,100,010,060,10,3558000
С-2450,050,020,080,1557000
С-31350,030,010,050,10,35120000
С-4320,050,010,080,20,0441000
С-5560,050,020,080,20,3586000
Таблица 3
Сополимеры, соответствующие изобретению
Мономер (а)Мономер (b)Мономер (с)
Мол.%ТипЕО группыРО группыМол.%ТипМол.%Тип
C-15РЕМ28040ЕА55ААС
C-210РЕМ18545МА45МАС
C-310РЕМ13040МА50МАС
C-415РЕМ1251530ММА55ААС
C-515РЕМ11820НЕА65ААС
C-620РЕМ13020НЕА60ААС
C-725Аллильный спирт12025МА50Малеиновая кислота, соль натрия
C-835РЕМ2840ММА25МАА
C-925РЕМ13049ЕА26МАС
C-1025РЕМ13040ЕА35МАС
C-1125РЕМ13030ЕА45МАС
Таблица 4
Сополимеры — сравнительные примеры
Мономер (а)Мономер(b)Мономер (с)
Мол. %ТипЕО группыРО группыМол. %ТипМол. %Тип
C-110РЕМ940МА50МАС
C-210РЕМ13070МА20МАС
C-325РЕМ35025МА50МАС
C-435РЕМ2860ММА5МАС
C-525РЕМ13055ЕА20МАС
ААС = акриловая кислотаМА = метилакрилат
ЕА = этилакрилатМАС = метакриловая кислота
НЕА = гидроксиэтилакрилатММА = метилметакрилат
РЕМ = метоксиполиэтиленгликоль метакрилат

Тесты проводились со следующими компонентами:

— Тип цемента:

а) СЕМ I 42.5 R от Zementwerke AG, Гесекский цементный завод в Германии (портландцемент),

b) СЕМ II/A-M 42.5 N от Lafarge, Манерсдорфский цементный завод в Австрии (портланд композитный, имеющий 6-20% других основных компонентов).

— Песок 0/4 (имеющий размер частиц меньше, чем 4 мм) регион Маркгрейнюсидаль (MGN), Нидерострайх (Австрия).

— Вода (водопроводная вода из Эммирих на Рейне, Германия).

Проект растворной смеси (на замес) следующий:

— Цемент — 450 г

— Песок — 1350 г

— Вода — 225 г

Вода/цемент (%)=0,50

Материалы, указанные выше, и каждая добавка были смешаны в растворном миксере емкостью 4 литра (модель ZZ 30 от Zyklos Mischtechnik Gmbh) при 140 оборотах в минуту в течение 2 минут.

Сополимеры, соответствующие изобретению (С-1 до С-11), и сравнительные образцы (СЕ-1 до СЕ-5) были оценены с использованием Японского Индустриального Стандарта JIS R 5201:1997 (тест на подвижность раствора).

Результаты представлены в таблице 5 и таблице 6.

Таблица 5
Цемент типа а: СЕМ I 42.5 R
Дозировка (%)*Течение раствора (мм)
сразу послепосле 15 минпосле 30 минпосле 60 минпосле 90 мин
C-10,16245248245242240
C-20,16240245243243242
C-30,15243242242240240
C-40,16235237239237234
C-50,14250258259257256
C-60,15250253258254252
C-70,15238239240238236
C-80,16231233237240243
C-90,16232235238240238
C-100,16242240238237234
C-110,15235232230230228
СЕ-10,20238217201181158
СЕ-20,21240242236230227
СЕ-30,28239218207186167
СЕ-40,54241216198176155
СЕ-50,22235230228234238
Таблица 6
Цемент типа b: CEM II/A-M 42.5 N
Дозировка (%)*Течение раствора (мм)
сразу послепосле 15 минпосле 30 минпосле 60 минпосле 90 мин
C-10,11243245243239238
C-20,11238242240238237
C-30,10240241240238237
C-40,11233235237234231
C-50,09248256258256254
C-60,10245248255251249
C-70,10235237239236234
C-80,11230232233237238
C-90,11240242241238235
C-100,10238238236235233
C-110,10242240237234234
СЕ-10,18233210192177143
СЕ-20,17178180185215248
СЕ-30,22238216204183162
СЕ-40,34165167186198195
СЕ-50,16182180188198201
*масс.% в пересчете на твердое вещество (100% активное вещество), на основании массы цемента.

Основываясь на приведенных в таблицах 5 и 6 результатах, можно сделать вывод, что сополимеры данного изобретения могут поддерживать подвижность (текучесть) раствора в течение долгого периода времени независимо от типа цемента, т.е. при использовании гидравлического цемента с добавками (CEM II/A-M 42.5 N).

Это позволяет контролировать качественные параметры бетона и раствора даже в различных рабочих условиях (температура, водоцементное соотношение и т.д.) независимо от типа цемента.

С другой стороны, сравнительные эксперименты и среди них СЕ-2 (воспроизведение примера С-13 из WO-A-9748656) и СЕ-5 (воспроизведение примера С-6 из WO-A-9748656) очень подвержены влиянию типа цемента.

1. Сополимер для добавки к бетону или цементному раствору, состоящий из структурных звеньев, i) от 0,1 до 50 мол.% звеньев, полученных из этилен ненасыщенного мономера (а), имеющего на один моль от 25 до 300 молей С23 оксиалкиленовых групп, ii) от 0,1 до 49,9 мол.% звеньев, полученных из мономера (b) алкил или алкенил или гидроксиалкил сложного эфира этилен ненасыщенной моно- или дикарбоксильной кислоты, iii) от 0,1 до 90 мол.% звеньев, полученных из мономера (с), выбранного из группы, состоящей из этилен ненасыщенной монокарбоксильной кислоты, ее соли, этилен ненасыщенной дикарбоксильной кислоты, ее ангидрида и ее соли, и iv) необязательно, до 30 мол.% других мономеров, выбранных из группы, включающей винилацетат, стирол, винилхлорид, акрилонитрил, металлил сульфокислоту, акриламид, метакриламид и стиролсульфокислоту.

2. Сополимер по п.1, в котором мономер (а) выбирается из группы, состоящей из (а-1) сложноэфирного продукта, полученного реакцией между метоксиполиалкенгликолем, имеющим на один моль от 25 до 300 моль С23 оксиалкиленовых групп, и акриловой кислотой или метакриловой кислотой, (а-2) простого моноаллильного эфира, полученного реакцией между полиалкенгликолем, имеющим на один моль от 25 до 300 моль С23 оксиалкиленовых групп, и аллильным спиртом, (а-3) продукта присоединения, полученного реакцией между малеиновым ангидридом или итаконовым ангидридом или цитраконовым ангидридом или малеиновой кислотой или итаконовой кислотой или цитраконовой кислотой или акриламидом или акрилалкиламидом и полиалкенгликолем, имеющим на один моль от 25 до 300 моль С23 оксиалкиленовых групп.

3. Сополимер по п.1, в котором мономер (а) определяется формулой (I)

где R1 и R2 являются либо атомом водорода, либо метилом;
АО является С23 оксиалкиленовой группой;
n является числом от 25 до 300;
X является либо атомом водорода, либо С13 алкильной группой.

4. Сополимер по п.3, в котором n является числом от 80 до 300.

5. Сополимер по п.1, в котором мономер (b) является ненасыщенным монокарбоксилатным сложным эфиром, имеющим формулу (II)

где R3 является либо атомом водорода, либо метилом, и
R4 является C1-C18 алкильной группой или алкенильной группой или С26 гидроксиалкильной группой.

6. Сополимер по п.1, в котором мономер (b) выбирается из группы, состоящей из малеинового диэфира, фумарового диэфира, итаконового диэфира, цитраконового диэфира, каждый диэфир связывается с C1-C18 прямой или разветвленной алкильной или алкенильной группой.

7. Сополимер по п.1, в котором мономер (с) определяется формулой (III)

где M1 является атомом водорода, щелочным металлом, щелочноземельным металлом, аммонием, алкиламмонием или замещенной алкиламмониевой группой;
R5 и R7 являются атомом водорода, метилом или (СН2)m2COOM2;
R6 является атомом водорода или метилом;
М2 имеет те же значения, что и М1; m2 является 0 или 1.

8. Сополимер по п.1, где сополимер включает от 1 до 30 мол.% звеньев (а), от 5 до 45 мол.% звеньев (b) и от 10 до 90 мол.% звеньев (с).

9. Сополимер по п.1, где сополимер включает от 5 до 20 мол.% звеньев (а), от 10 до 40 мол.% звеньев (b) и от 25 до 80 мол.% звеньев (с).

10. Сополимер согласно любому из предшествующих пунктов, в котором сополимер имеет средневесовую молекулярную массу (Mw) от 8000 до 1000000.

11. Сополимер по п.1, в котором мономер (а) определяется формулой (I)

где R1 и R2 являются либо атомом водорода, либо метилом;
АО является С23 оксиалкиленовой группой;
n является числом от 25 до 300;
X является либо атомом водорода, либо С13 алкильной группой,
и в котором мономер (b) является ненасыщенным монокарбоксилатным сложным эфиром, имеющим формулу (II)

где R3 является либо атомом водорода, либо метилом, и
R4 является C1-C18 алкильной группой или алкенильной группой или С26 гидроксиалкильной группой;
в котором мономер (с) определяется формулой (III)

где M1 является атомом водорода, щелочным металлом, щелочноземельным металлом, аммонием, алкиламмонием или замещенной алкиламмониевой группой;
R5 и R7 являются атомом водорода, метилом или (СН2)m2COOM2;
R6 является атомом водорода или метилом;
М2 имеет те же значения, что и М1; m2 является 0 или 1,
где сополимер включает от 5 до 20 мол.% звеньев (а), от 10 до 40 мол.% звеньев (b) и от 25 до 80 мол. % звеньев (с).

12. Состав добавки к бетону и/или цементному раствору, включающий сополимер по любому из пп.1-11 и, по крайней мере, один суперпластификатор отличный от сополимера по пп.1-11, выбранный из группы, состоящей из нафталиновых производных, меламиновых производных, производных аминосульфониевой кислоты, суперпластификаторов, основанных на поликарбоксилоте, суперпластификаторов, основанных на полиэфире, и их смесей.

13. Состав по п.12, в котором массовое соотношение при смешивании сополимера с суперпластификатором находится в пределах от 10:90 до 90:10.

14. Состав бетона, включающий цемент, каменный материал, воду и (i) сополимер по любому из пп.1-11 или (ii) состав добавки по любому из пп.12 и 13.

15. Состав по п.14, который включает от 0,02 до 1,0% по массе сополимера, как 100% активного вещества, исходя из количества твердого цемента.

16. Состав цементного раствора, включающий цемент, песок, воду и (i) сополимер по любому из пп.1-11 или (ii) состав добавки по любому из пп.12 и 13.

17. Состав по п.15, который включает от 0,02 до 1,0% по массе сополимера, как 100% активного вещества, исходя из количества твердого цемента.

18. Способ диспергирования цементной смеси, который включает добавление к цементной смеси (i) сополимера по любому из пп.1-11 или (ii) состава добавки по любому из пп.12 и 13.

Крупномасштабная трехмерная корреляционная химическая визуализация поверхности древнеримского бетона микронного порядка

PLoS One. 2019; 14 (2): e0210710.

, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, программное обеспечение, визуализация, написание — первоначальный проект, написание — просмотр и редактирование, 1 , концептуализация, курирование данных, исследование, методология, надзор, визуализация, написание — обзор и редактирование, 2 и, Концептуализация, Привлечение финансирования, Исследование, Методология, Управление проектом, Ресурсы, Надзор, Проверка, Написание — обзор и редактирование 1, *

Дженил М.Мараг

1
Департамент гражданской и экологической инженерии, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, Соединенные Штаты Америки

Джеймс К. Уивер

2
Институт биологической инженерии Висса, Гарвардский университет, Бостон, Массачусетс, Соединенные Штаты Америки

Адмир Масич

1
Департамент гражданской и экологической инженерии, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, Соединенные Штаты Америки

V.Прасад Шастри, редактор

1
Департамент гражданской и экологической инженерии, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, Соединенные Штаты Америки

2
Институт биологической инженерии Висса, Гарвардский университет, Бостон, Массачусетс, Соединенные Штаты Америки

Фрайбургский университет, ГЕРМАНИЯ

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что конкурирующих интересов не существует.

Поступило 07.05.2018 г .; Принята в печать 31 декабря 2018 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника. Эта статья цитируется другими статьями в PMC. .

Abstract

В последние годы был достигнут значительный прогресс, направленный на разработку новых аналитических методов для исследования взаимосвязей между структурой и функцией в иерархически упорядоченных материалах.Вдохновленные этими технологическими достижениями и потенциалом применения этих подходов к изучению строительных материалов древности, мы представляем новый набор высокопроизводительных инструментов определения характеристик для исследования древнеримского бетона, который, как и многие древние строительные материалы, демонстрирует неоднородность состава и структурную сложность. в нескольких масштабах длины. Подробная характеристика древнеримского бетона на каждом из этих масштабов важна для понимания его механики, устойчивости, путей разрушения и для принятия обоснованных решений относительно его сохранности.В этом многомасштабном исследовании характеристик древнеримских образцов бетона, собранных в древнем городе Привернум (Приверно, Италия), были собраны карты сантиметрового масштаба с элементами микронного масштаба с использованием многодетекторной энергодисперсионной спектроскопии (EDS) и конфокальной рамановской микроскопии. как на полированных поперечных сечениях, так и на топографически сложных поверхностях изломов для извлечения как объемной, так и поверхностной информации. Рамановская спектроскопия использовалась для химического профилирования и определения фаз, а данные, собранные с помощью EDS, были использованы для построения тройных диаграмм, чтобы дополнить наше понимание различных фаз.Мы также представляем методологию корреляции данных, собранных с использованием разных методов на одном и том же образце при разной ориентации, которая показывает замечательный потенциал в использовании дополнительных подходов к характеристике при изучении неоднородных материалов со сложной топографией поверхности.

Введение

На протяжении всей истории человечества развитие технологий обработки материалов, подкрепленное существованием биологических и геологических материалов с благоприятными механическими свойствами, играло ключевую роль в культурной эволюции нашего вида.Кости ограняли и полировали при производстве древних режущих и шлифовальных инструментов, по крайней мере, с верхнего палеолита [1]. С 4000 г. до н.э. до позднего бронзового века в Европе и Западной Азии и примерно с 800 по 1450 г. н.э. в Андской зоне Южной Америки медь была легирована мышьяком для получения мышьяковистой бронзы, которая была прочнее и имела лучшие литейные свойства, чем одна медь. [2]. Железо было легировано углеродом для производства стали по крайней мере с 1800 г. до н.э., о чем свидетельствуют находки древних стальных артефактов в Каман-Калехойюке [3].Разработки в области строительства включают производство известкового цемента, а затем включение вулканического пепла для производства высокопрочного цемента [4], например, при производстве гидравлического раствора с использованием золы, полученной из района вокруг горы Везувий в Древнем Риме [5]. Развитие материалов и строительных технологий и их эмпирические усовершенствования внесли значительный вклад в успех ряда древних империй [6]. Например, растущее население Римской империи было устойчивым на протяжении веков, частично из-за строительства акведуков, по которым вода поступала из источников, которые находились на расстоянии в десятки километров [7,8].Изощренность некоторых из этих древних строительных технологий наблюдается в сохранившихся остатках древних цивилизаций в наши дни, некоторые из которых все еще демонстрируют долговечность, несмотря на тысячелетия сейсмической активности, изменения окружающей среды и стихийные бедствия [9,10]. В дополнение к их культурному и историческому значению, эти материалы могут также предложить современным исследователям технологические уроки с точки зрения устойчивости и долговечности. Например, долговременная устойчивость древнеримского бетона к ухудшению состояния окружающей среды на протяжении тысячелетий может послужить источником вдохновения для дизайна при производстве более прочных строительных материалов нового поколения.

Использование древнеримского цемента в производстве строительного раствора (смесь цементного теста и мелкого заполнителя) и opus cæmenticum или древнеримского бетона (смесь раствора с более крупным заполнителем: cæmenta) [11] позволило изготовить некоторые из самых древних массивные архитектурные чудеса. Использование извести для производства цемента не было оригинальным для Римской империи; Греки ранее производили цемент таким способом с переменным успехом. Однако добавление пуццолана (высокощелочного вулканического пепла, в основном состоящего из аморфных алюмосиликатов), произрастающего в районах, окружающих гору Везувий в Кампании, в эту смесь привело к получению более прочного связующего раствора [5,12], который позволил получить бетон с большей прочностью. прочность на сжатие по сравнению с бетоном, изготовленным с использованием чистого известкового цемента.Было обнаружено, что реплики архитектурного древнеримского раствора имеют 180-дневную прочность на сжатие примерно 13 МПа [13], что составляет 75% от прочности современного конструкционного легкого бетона из заполнителя [14] и, по крайней мере, в четыре раза больше, чем у чистый известковый раствор [15].

Древнеримская цементная паста представляет собой смесь гашеной извести и кремнистого вулканического пепла (пуццолана). В процессе производства карбонат кальция (известняк) кальцинируется при 900 ° C для получения оксида кальция, который затем смешивается с водой для получения гашеной извести.Затем образуются гелевые фазы аморфного или слабокристаллического гидрата силиката кальция (C-S-H) и гидрата силиката кальция-алюминия (C-A-S-H) в реакционных слоях, окружающих фрагменты пуццолана, когда они реагируют с гашеной известью [16], [17,18]; эти гелевые фазы в значительной степени способствуют долговечности древнеримского раствора и его устойчивости к повреждениям окружающей среды [18]. Более того, недавние исследования показали, что минеральные цементы могут непрерывно осаждаться в течение длительных периодов времени, постоянно укрепляя цементирующую матрицу в некоторых бетонах, таких как древнеримский бетон с морской водой [19].Это явление резко контрастирует с проблемой щелочно-кремнеземной реакции (ASR), также известной как «рак бетона», которая вызывает набухание и растрескивание современного бетона из-за реакции сильно щелочной цементирующей матрицы с кремнистыми заполнителями в наличие влаги. Всесторонние исследования химических механизмов в таких древних бетонах необходимы для понимания цементов, способных со временем образовывать новые цементные фазы, что может оказаться решающим при разработке новых строительных материалов.

На производство наиболее широко используемого в мире современного строительного материала, обычного портландцемента (OPC), приходится примерно 5% мировых выбросов углерода [20], а 90% его воплощенного углерода связано с большой потребностью в топливе для его производство, особенно горячая стадия, которая происходит прибл. 1450 ° С. Значительно более низкие температуры, необходимые для производства древнеримского бетона, приравниваются к более низкой потребности в топливе: еще одна причина обратить внимание на этот материал для вдохновения при разработке более экологически чистых строительных материалов.Однако у древнеримского бетона есть ряд существенных недостатков. В то время как цементная паста, изготовленная с использованием OPC, может затвердеть на воздухе всего за 28 дней для достижения прочности на сжатие, близкой к максимальной [21], было показано, что архитектурный древнеримский строительный раствор на основе вулканического пепла и извести требует сравнительно более длительного времени отверждения. не менее 180 дней [22], что делает его гораздо менее пригодным для использования в современных быстро меняющихся условиях строительства. Однако, частично заменив составляющие современного бетона компонентами, вдохновленными этими древнеримскими бетонными смесями, можно разработать улучшенный цемент, который уравновешивает долговечность и устойчивость с приемлемым временем отверждения.Чтобы подготовить почву для этого процесса и лучше понять композиционную сложность этого неоднородного материала, мы исследовали образцы древнеримского бетона с использованием дополнительных передовых методов определения характеристик материалов.

OPC состоит из двух основных компонентов: алита (Ca 3 SiO 5 или «C 3 S» в обозначении химии цемента), в первую очередь отвечающего за 28-дневную «раннюю» прочность гидратированного цемента, и белита. (Ca 2 SiO 4 или «C 2 S»), в первую очередь ответственный за развитие его «поздней» прочности [16].Конфокальная рамановская микроскопия (CRM), которая использует рамановский спектрометр в сочетании с оптическим микроскопом для измерения очень малых площадей, является одним из таких методов анализа этих конкретных фаз и использовалась в современных исследованиях химии цемента для изучения микроструктура и пространственное распределение CSH и других реагентов, образующихся при гидратации C 3 S неразрушающим способом [23]. Этот метод также может дополнять более трудоемкие и требующие много времени методы, такие как спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 29 Si, при характеристике C-S-H, C-A-S-H и фаз C-S-H (C-N-A-S-H), замещенных натрием и алюминием [24].Рамановская спектроскопия также использовалась для изучения процессов разложения в OPC посредством пространственной характеристики фаз, которые вызывают снижение твердения цемента в пастах C 3 S и C 2 S [25]. В дополнение к методам на основе комбинационного рассеяния для характеристики гидратированных OPC и смесей вулканического пепла и для производства CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 тройные фазовые диаграммы, которые можно использовать для идентификации конкретных фаз CASH [26,27].Когда тройные соотношения конкретных оксидов нанесены на график, либо для OPC, либо при характеристике древнеримского бетона [4,28], может быть определена пропорция конкретных гелей и других фаз, а также могут быть идентифицированы конкретные компоненты. Когда для данного образца собираются карты EDS большой площади, огромные объемы собранных данных (часто миллионы спектров) могут быть использованы для вычисления этих троичных соотношений более полным образом в виде тройного частотного графика, на котором химически различные компоненты может быть идентифицирован гетерогенный образец [29].

В то время как другие методы характеризации создают неудобные проблемы, такие как необходимость подготовки ультратонких срезов, как в случае просвечивающей электронной микроскопии, отсутствие пространственного разрешения обнаруженных фаз при настольной рентгеновской дифракции или низкий контраст между различными цементные фазы, обычно наблюдаемые в данных визуализации SEM / BSE [30,31], картирование CRM и EDS являются привлекательными вариантами из-за их потребности в минимальной пробоподготовке и их полезности в пространственно разрешающих фазах и элементах, присутствующих в образце, с высокой специфичностью состава.

Высокая пропускная способность EDS означает, что можно быстро определять соотношения и пространственные распределения различных элементов, а для CRM активные фазы комбинационного рассеяния должны только быть в фокусе, чтобы их можно было обнаружить. Когда оба метода используются параллельно, результатом является богатый набор дополнительных данных, но каждый подход имеет свои ограничения: EDS дает распределение элементов по всей поверхности измеряемого образца и разработку SEM окружающей среды по всей поверхности. Последние несколько десятилетий позволяют проводить измерения образцов даже не в условиях вакуума.Однако измерение погруженных образцов с помощью EDS остается проблемой. CRM, напротив, может использоваться для обнаружения фаз, присутствующих в образцах, даже под водой, когда используется объектив с погружением в воду, но только в тех случаях, когда присутствуют активные компоненты комбинационного рассеяния.

CRM и EDS использовались при исследовании древних бетонов, например, для характеристики древнеримского бетона с морской водой, в качестве инструментов для обнаружения осажденного филлипсита, аль-тоберморита и гелеобразных CASH в реликтовых обломках извести и в межфазных слоях. зоны по периметру определенных заполнителей, которые, как полагают, способствуют упругости бетона [9,19].EDS также использовался для изучения древних пуццолановых цементов, содержащих стрэтлингит, минерал, который укрепляет цементирующую матрицу и растет в виде пластин, сопротивляющихся распространению трещин [10], которые были обнаружены в древнеримском растворе, найденном в Колизее [32], Театре. Марцелла [33], и в центральной части стены Большого зала Рынков Траяна [34].

Эти методы определения характеристик были разработаны для использования в области биоминерализации, чтобы лучше понять сложную взаимосвязь между структурой и функцией гетерогенных минерализованных тканей.Например, EDS и CRM были оптимизированы для сбора фазовых карт с микронным разрешением полированных сечений придатков креветок-богомолов [35] и наноструктур из кирпича и раствора перламутра моллюсков [6,36]. Эти методы также были расширены для использования на неровных поверхностях образцов. С развитием профилометрии TrueSurface стало возможным объединить CRM большой площади с измерениями топографии за счет использования пьезоуправляемых столиков для сохранения конфокальности. Системы EDS также были разработаны с несколькими детекторами, чтобы в значительной степени устранить артефакты затенения, которые часто являются проблемой при получении карт элементов с неровных поверхностей с помощью одного детектора рентгеновского излучения.Используя объединенные преимущества мультидетекторной EDS и спектроскопии комбинационного рассеяния TrueSurface при исследовании, например, топографически сложных зубов морского ежа, распределение элементов на высушенных поверхностях образцов может быть измерено либо с помощью EDS в вакууме, либо в случае естественного гидратированного Образцы, расположение рамановского v 1 CO 3 2- может быть использовано для измерения степени замещения Mg в кристаллической решетке кальцита [37].

В настоящем исследовании эти два метода используются для характеристики древнеримских бетонных образцов, полученных из археологического памятника Привернум в Приверно, Италия.Также представлен подход к корреляции данных из этих двух методов, в котором матрица преобразования, которая связывает два набора данных, вычисляется с использованием их соответствующих фазовых карт. Количественные карты EDS были собраны как из древнеримских бетонных поперечных сечений, так и из поверхностей трещин, а затем соотношения результирующих элементных составов были визуализированы с использованием трехкомпонентных графиков плотности, которые продемонстрировали отчетливые различия в составе.

Получение корреляционных данных

В этом исследовании представлена ​​химическая характеристика древнеримских образцов бетона, полученных из периметральной стены () археологического памятника (трехмерная реконструкция участка, показанного на) Привернума, расположенного в современном городе Приверно, Италия. , и представляет инструменты управления данными для корреляции больших объемов дополнительных данных, которые могут быть использованы при проверке достоверности воспроизведений этой древней смеси и при изучении вновь разработанных строительных материалов.

Расположение коллекции древнеримских образцов бетона, использованных в данном исследовании.

(а) 3D-реконструкция археологического памятника Привернум, полученная с помощью фотограмметрии с дрона, (б) 3D-реконструкция стены, из которой был взят образец бетона, с использованием 3D-сканера DotProduct DPI-8, и (в) фотография с большим увеличением поверхности стены.

Образцы древнеримского бетона с трещинами были изучены с помощью оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии с обратным рассеянием (BS-SEM), EDS и CRM в сочетании с профилометрией TrueSurface.Оставив образцы в их естественном состоянии, можно было бы непосредственно исследовать поверхности излома, что важно при изучении цементирующей связующей фазы, присутствующей в гораздо больших количествах на поверхности излома, чем в полированных поперечных сечениях. Образцы имели размеры в диапазоне от нескольких миллиметров до приблизительно 1 сантиметра в ширину и показывают данные, собранные для одного конкретного образца, взятого из секции стены, показанной с использованием вышеупомянутых методов.

Многоуровневая характеристика древнеримского бетона.

Изображения, полученные с использованием (а) оптической микроскопии, (б) сканирующей электронной микроскопии обратного рассеяния (BS-SEM), (в) энергодисперсионной спектроскопии (EDS) и (г) топографии подобласти конкретного образца, полученного с использованием профилометрии TrueSurface, (e) Рамановская фазовая карта этой области (синий: кварц, красный: кальцит) и (f) карта элементов EDS, преобразованная в систему координат этой области.

Нормализованное распределение элементов на поверхности излома образца измерялось с помощью многодетекторной EDS ().После измерения топографии образца с помощью профилометрии (), отдельные фазы были извлечены из общего набора спектров комбинационного рассеяния, собранных с использованием неотрицательной матричной факторизации (NMF), которые затем были построены заново, чтобы сформировать фазовую карту комбинационного рассеяния ().

Когда разные типы данных собираются в одной измерительной системе с использованием одной и той же системы отсчета, их можно напрямую сравнивать, как показано на. В этой конкретной системе полированный образец может оставаться на месте, и можно собирать изображения SEM, карты элементов EDS и карты фазы комбинационного рассеяния, а затем масштабировать их для сравнения.

Корреляционное отображение BS-SEM, EDS и рамановское фазовое отображение с использованием интегрированной системы.

(a) (изображение BS-SEM, (b) карта EDS, (c) фазовая карта комбинационного рассеяния, показывающая распределение кварца, (d) спектр комбинационного рассеяния от отдельных зерен кварца и эталонный спектр кварца из базы данных RRUFF, и (e) Спектр EDS формирует всю отображаемую область.

Однако, когда ориентация образца и измеренная площадь меняются от набора данных к набору данных, как это часто бывает при использовании нескольких систем измерения, как также показано в этом исследовании, задача сравнения различных типов данных в одном и том же месте образца может стать проблемой.Для больших областей, таких как богатое кальцием включение рядом с центром, сравнение между данными комбинационного рассеяния и данными EDS тривиально, но сложность этой задачи возрастает с увеличением размера измеряемой области и сложностью состава образца. Универсальные корреляционные системы, такие как система, используемая для сбора данных, показанных в, чрезвычайно полезны, но могут быть недостаточными при возникновении особых проблем. Может потребоваться общий подход к корреляции данных, например, если измеряемый образец имеет нерегулярную поверхность, если необходимы фазовые карты, превышающие то, что может дать комбинированная система, или если требуется сравнение необработанных данных между пикселями.

Корреляция данных EDS и комбинационного рассеяния

Рамановская фазовая карта показывает площадь и ориентацию, отличные от результатов BS-SEM и EDS, показанных на. Различные виды одного и того же трехмерного объекта связаны друг с другом проективным преобразованием, известным как плоская гомография: матрица преобразования 3×3, которая связывает два проективных пространства. Таким образом, данные фазовых карт, полученных с использованием двух систем измерения, и, таким образом, две ориентации образцов, могут быть коррелированы путем вычисления матрицы гомографии H, которая их связывает.Результирующее преобразование, когда оно применяется к набору данных EDS, приводит к отображению карты элементов, показанной на, и дает возможность прямого сравнения пикселей с пикселями данных, представленных дополнительными картами распределения.

Для выполнения этого преобразования размер рамановской фазовой карты сначала был изменен так, чтобы количество пикселей соответствовало количеству рамановских спектров, закодированных в фазовой карте, то есть 200 пикселей на 200 пикселей, представляющих 40000 записанных спектров. Цвет каждого пикселя карты EDS определялся спектром, записанным в этом местоположении образца, поэтому количество пикселей уже соответствовало его количеству спектров: 512 пикселей на 512 пикселей.8 неизвестных h ij матрицы гомографии 3×3 H (определенной в уравнении 1) могут быть решены для использования координат x и y четырех соответствующих местоположений на каждой фазовой карте. Связь между координатами на двух фазовых картах показана в уравнении 2, в котором (x, y) — координаты точки изображения, которое нужно преобразовать, а (x ‘, y’) — координаты соответствующей точки. на втором изображении.

H = [h21h22h23h31h32h33h41h421]

(1)

Функция гомографии из Machine Vision Toolbox [38] использовалась для вычисления компонентов H, представляющих 2D проективное преобразование, с использованием нескольких соответствующих местоположений из двух наборов данных.Эта матрица преобразования была применена для преобразования карт элементов EDS в то же проективное пространство, что и соответствующие карты фаз Рамана.

Результаты и обсуждение

Поперечные сечения полированного древнеримского бетона

Для изучения среднего состава образцов, собранных на археологическом участке, карты элементов EDS () и карты фаз Рамана () полированных шлифов древних Были собраны образцы римского бетона. Общий средний спектр EDS, показанный на рисунке, который показывает общее количество испускаемых рентгеновских лучей и их энергию, описывает средний элементный состав измеряемой области.Спектр максимальной интенсивности пикселей, который показывает максимальное количество отсчетов для определенной энергии рентгеновского излучения, обнаруженной в любом месте образца (что особенно полезно для идентификации микроэлементов), показан в. Рамановские спектры обнаруженных фаз, извлеченные из всего набора данных с помощью NMF, показаны в цветах, соответствующих цветам, используемым в рамановской фазовой карте в.

Корреляционная EDS и Рамановская характеристика полированного шлифа древнеримского бетона.

(а) карта элементов EDS образца полированного бетона и (b) спектры EDS показанной области образца, показывающие общий средний состав образца (вверху) и объединенные максимальные интенсивности пикселей обнаруженных элементов (внизу). (c) Рамановская фазовая карта полированного шлифа, показывающая область, измеренную с использованием EDS, и пространственное распределение (d) составляющих спектров (которые имеют цветовую кодировку, соответствующую различным отображаемым фазам карты).

Области, богатые кремнием, показанные зеленым цветом, соответствуют зернам, окрашенным в зеленый цвет, которые были идентифицированы как кварц, основной компонент кремнистого песка, который использовался для производства древнеримского раствора.Богатые кальцием области соответствуют областям, богатым кальцитом, показанным на, а богатые железом области, окрашенные в желтый цвет в обоих, были идентифицированы по спектрам комбинационного рассеяния как магнетит. Было обнаружено, что область по периметру поры в правом верхнем углу и другие области, окрашенные в синий цвет, состоят из каротиноидов, органических пигментов, производимых растениями и водорослями, а также некоторыми бактериями и грибами. Присутствие каротиноидов, вероятно, связано с воздействием окружающей среды на археологические руины.Цементирующая связывающая фаза в областях между агрегатами давала спектры комбинационного рассеяния с большим количеством фоновой флуоресценции, которая затемняла любой обнаруживаемый сигнал комбинационного рассеяния. Это часто является проблемой, когда материал содержит элементы, поглощающие лазерное излучение, например вулканический пепел, содержащий редкоземельные элементы: известный компонент древнеримского цемента.

Поверхность разрушения древнеримского бетона

ЭДС и спектроскопия комбинационного рассеяния также использовались для создания фазовых карт поверхности разрушения образца древнеримского бетона из той же области периметра стены.Оптически доля заполнителя, видимого на поверхности излома бетона, намного меньше, чем в поперечном сечении. Следовательно, ожидается, что данные, собранные на поверхности излома, будут более репрезентативными для цементирующей связующей фазы, тогда как данные, собранные для полированного тонкого сечения, дадут больше информации о среднем составе, включая состав заполнителя, бетона. показать фазовую карту комбинационного рассеяния на поверхности трещины и соответствующие спектры комбинационного рассеяния фаз, обнаруженных с использованием той же цветовой схемы: кварц — зеленым, кальцит — красным.Хотя кварцевый агрегат и кальцит все еще наблюдаются, гораздо большая область измеряемой области дает спектры комбинационного рассеяния с высокой фоновой флуоресценцией, подтверждая предположение, что поверхность трещины содержит большую долю цементирующей связывающей фазы.

Корреляционная EDS и Рамановская характеристика поверхности излома образца древнеримского бетона.

(a) трехмерный вид и вид сверху фазовой карты комбинационного рассеяния, (b) составляющие рамановские спектры (с цветовой кодировкой, соответствующей различным отображаемым фазам карты).(c) Карта элементов EDS образца полированного бетона с нормализованными и количественными картами элементов области в белом квадрате. (d) Спектры EDS для всей карты элементов, показывающие общий средний состав образца (слева) и объединенные максимальные интенсивности пикселей обнаруженных элементов (справа).

показывает как количественные, так и нормализованные карты элементов EDS, полученные для поверхности трещины. Соответствующие общие количества рентгеновских лучей, излучаемых с разными энергиями, и максимальное количество отсчетов, обнаруженных в любом месте измеряемой области, обозначенное белым прямоугольником на образце в, показаны в спектрах EDS в.Рамановская фазовая карта (справа) области, обозначенной серым прямоугольником внутри, была создана из определенных цветовых рамановских спектров обнаруженных фаз, извлеченных из общего набора данных с использованием NMF in, которые затем были наложены на данные топографии поверхности. собраны с использованием профилометрии TrueSurface и показаны на рисунке слева.

Карты элементов EDS были собраны на изломанной поверхности обычного портландцемента и древнеримского бетона и на полированном поперечном сечении древнеримского бетона, залитого смолой.Схемы этих образцов и соответствующие нормализованные карты элементов показаны в верхней и нижней строках соответственно. Из каждого набора данных EDS был сгенерирован набор 16-битных количественных изображений в градациях серого со значениями яркости пикселей, представляющими атомный процент кальция, кремния и алюминия, присутствующих в каждом пикселе. Эти количественные изображения использовались для построения соотношений этих элементов относительно друг друга (то есть Ca + Si + Al = 1) для всех пикселей в наборе данных этого образца на трехкомпонентных графиках плотности.На каждом графике тройной плотности () отношения кальция, кремния и алюминия в каждом пикселе в измеренной области представлены одной точкой на тройной диаграмме. Чтобы более наглядно показать распределение точек на тройной диаграмме, области тройной диаграммы, в которых точки очень плотно распределены, показаны желтым цветом, а разреженные области показаны фиолетовым цветом, на что указывают цветные полосы под графиками.

Трехмерные графики плотности и карты элементов EDS для обычного портландцемента и древнеримского бетона.

Схема (а) изломанной поверхности образца обычного портландцемента, (б) полированного поперечного сечения древнеримского бетона, залитого в смолу, и (в) изломанной поверхности древнеримского образца бетона. Под образцами иллюстраций (верхний ряд) находятся тройные графики плотности (средний ряд), показывающие отношения Ca, Si и Al в каждом пикселе на различных картах EDS (нижний ряд). Для каждого из трехкомпонентных графиков плотности фиолетовые регионы наиболее малонаселены, а желтые регионы — наиболее плотно заселены.

В тройных частотных диаграммах, которые использовались другими авторами в области определения характеристик цемента для представления данных EDS, оси разделены на n интервалов, в результате чего получается двухмерная тройная гистограмма, содержащая n 2 интервалов. Затем троичные координаты сортируются по ячейкам, и количество координат в каждой ячейке отображается с помощью интуитивно понятной цветовой карты, которая позволяет быстро идентифицировать основные присутствующие фазы.

показывает реализацию двух инструментов визуализации, которые были разработаны для использования вместе с тройными графиками плотности, показанными на.В, были выбраны подобласти трехкомпонентных графиков плотности (обозначенные эллипсами), которые соответствовали конкретным интересующим элементным отношениям, а области выборки, соответствующие троичным координатам в этих эллипсах, были окрашены в те же цвета в. показать еще один метод различения различных областей тройной диаграммы. В этом методе цвет был выбран для каждой из трех вершин тройной диаграммы, и каждая тройная координата была раскрашена с использованием смеси трех цветов, соответствующих ее положению на тройной диаграмме.Соответствующий пиксель из карты EDS затем был окрашен с использованием того же цветового пространства, чтобы одновременно визуализировать все различные фазы, присутствующие во всем сопоставленном образце ().

Идентификация и картография OPC и древнеримской бетонной фазы.

Крайний левый столбец представляет собой изломанную поверхность OPC, средний столбец представляет собой полированное поперечное сечение древнеримского бетона, а крайний правый столбец представляет собой изломанную поверхность древнеримского бетона. (a) — (c) Все троичные координаты показаны серым цветом, а точки внутри определенных эллипсов окрашены, а их соответствующие области показаны в (d) — (f).(g) — (i) Цветовой градиент используется для окраски каждой троичной координаты на основе ее положения на тройной диаграмме, и соответствующий ему пиксель окрашивается в тот же цвет в (j) — (l).

График тройной плотности для OPC () показывает большинство троичных координат, лежащих близко к оси Ca / Si, с очень густонаселенным кластером вблизи вершины Ca. Это предполагает очень большую долю C-S-H и C-A-S-H с низким содержанием глинозема, что ожидается для OPC [39]. График тройной плотности для поверхности излома древнеримского бетона (), однако, показывает координаты, сгруппированные вдали от оси Ca-Si.Большой плотный кластер соответствует области, занятой высокоглиноземистым C-A-S-H, что предполагает гораздо большее присутствие этой связующей фазы в образце древнеримского бетона, чем в современном цементе. «Плечо» тройных координат ближе к вершине тройной диаграммы соответствует кварцу, который частично покрыт связкой, которая смещает его координаты от вершины Si. Это подтверждается сравнением фазовой карты с соответствующей рамановской фазовой картой, показывающей распределение кварца в.Плечо этого расширения к центру тройной диаграммы соответствует области, в которой могут быть найдены природные пуццоланы [40]; природные пуццоланы в виде вулканического пепла были обычной добавкой к древнеримским бетонным смесям [5].

График тройной плотности полированного поперечного сечения древнеримского бетона дает больше информации о заполнителях, использованных в производстве этого римского бетона. Кластер в самом верху тройной диаграммы вблизи вершины Si соответствует кварцевому агрегату.Область в красном эллипсе в, которая соответствует области, в которой можно было бы найти C-S-H, находится в связующем поперечном сечении древнеримского бетона, но отсутствует на поверхности излома древнеримского бетона. Поскольку материал будет разрушаться по самому слабому компоненту, эти результаты предполагают, что C-A-S-H с более высоким содержанием глинозема, обнаруженный на поверхности разрушения, более слабый, чем C-A-S-H и C-S-H с более низким содержанием глинозема, которые более распространены в фазе связывания, наблюдаемой в полированном поперечном сечении.Другой заполнитель, обнаруженный в древнеримском бетоне, который содержит больше алюминия, окрашен в синий цвет и показан на рисунке. Большая часть связующего представляет собой некоторую форму C-A-S-H, но связующее, расположенное по периметру кварцевого заполнителя, богаче кремнием (окрашено в бордовый цвет). Ожидается, что природные пуццоланы также найдены в полированном поперечном сечении образца древнеримского бетона.

Обсуждение и будущая работа

Используя римский бетон в качестве модельной исследовательской системы, мы представили набор дополнительных корреляционных инструментов с высоким разрешением для характеристики вяжущих материалов.Первичные фазы в этих образцах были обнаружены с помощью фазового картирования CRM большой площади. Для сломанных образцов с изначально нерегулярной топографией поверхности были выполнены профилометрические измерения для создания трехмерной карты поверхности, которая затем использовалась в сочетании с моторизованным пьезостадиком рамановского микроскопа для поддержания постоянного пересечения поверхности образца с фокальной плоскостью. Этот подход позволил детектировать рамановский сигнал по всей интересующей области, сохраняя при этом конфокальность (рис. И).

В то время как спектроскопия комбинационного рассеяния чрезвычайно полезна для идентификации фаз, которые состоят из активных химических связей комбинационного рассеяния, этот метод теряет свою полезность, когда в материалах есть сложные фазы, которые не имеют четких режимов растяжения или изгиба, которые дают четкий рамановский сдвиг. EDS, напротив, может отображать элементы, присутствующие на поверхности образца, и, хотя он не может идентифицировать конкретные фазы, он по-прежнему является очень эффективным подходом для получения информации о составе для областей образца, которые не могут быть успешно идентифицированы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.Кроме того, использование нескольких детекторов EDS для регистрации сигнала обеспечивает относительно равномерное покрытие образцов со сложной топографией поверхности, в то же время в значительной степени сводя к минимуму артефакты затенения, которые обычно возникают при использовании систем с одним детектором.

Для характеристики вяжущих материалов идентификация механически слабых границ раздела, которые могут привести к катастрофическому разрушению конструкции, имеет решающее значение, и в настоящее время предпринимаются попытки применить описанные здесь методы для исследования состава этих компонентов, наблюдаемых на поверхностях изломов. и между заполнителем в поперечном сечении, как для древнеримского бетона, так и для современного OPC.

Хотя основное внимание в этой работе было уделено характеристике древнеримского бетона, методы и инструменты, представленные в этом исследовании, могут быть применены для характеристики широкого диапазона сложных, неоднородных материалов с неровными поверхностями. В этой работе данные EDS были коррелированы с фазовыми картами комбинационного рассеяния, но эта корреляция может быть расширена на любые два (или более) набора данных, для которых может быть создано изображение. Большой объем данных, который может быть быстро получен с помощью EDS и связанных с ним инструментов обработки данных, описанных здесь, может быть использован для статистической характеристики практически любого интересующего гетерогенного материала, а представленные здесь передовые методы спектроскопического фазового картирования большой площади демонстрируют большой потенциал в использование расширенного вычислительного анализа при исследовании макроскопических структур.

Материалы и методы

Образцы древнеримского бетона были собраны с различных стен археологического объекта Привернум с разрешения и под контролем директора Sistema Museale Priverno Маргариты Канчеллиери и регионального чиновника Министерства per I Beni Culturali e Ambientali , Николетта Кассиери. В археологических раскопках не участвовали виды, находящиеся под угрозой исчезновения или охраняемые, и для проведения описанного исследования не требовалось разрешений. Все образцы, обсуждаемые в этой работе, хранятся в Лаборатории многомасштабной характеристики и дизайна материалов Массачусетского технологического института.

Образцы в их исходном состоянии были получены с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, электронной микроскопии обратного рассеяния, профилометрии TrueSurface и конфокальной рамановской микроскопии. Эти методы визуализации были также выполнены на полированных тонких срезах, залитых смолой, которые были приготовлены следующим образом. Образцы бетона сначала заливали эпоксидной смолой холодного отверждения и обрезали по размеру с помощью тихоходной алмазной пилы с водяным охлаждением. Затем полученные образцы последовательно полировали алмазными шлифовальными дисками от 60 до 800 с последующей окончательной полировкой с использованием алмазных суспензий до 0.25 мкм.

Мультидетекторная ЭДС была выполнена с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan Vega GMU, оборудованного двумя детекторами рентгеновского излучения Bruker XFlash 5030. Данные для картирования были получены на аналитическом рабочем расстоянии 15 мм при ускоряющем напряжении 20 кэВ. Время картирования варьировалось в зависимости от плотности пикселей карты, а также от конкретных содержаний элементов в анализируемых фазах, но для всех фазовых диаграмм от Ca до Si и Al, сгенерированных в этой работе, время сбора данных всегда определялось таким образом, что они приводили к минимум 5000 отсчетов на пиксель.Полученные спектры от каждого пикселя затем использовались для расчета элементных соотношений, которые затем экспортировались как одноэлементные квантовые карты и использовались для создания троичных диаграмм.

Для рамановского фазового картирования топографически сложных поверхностей с трещинами были проведены измерения профилометрии поверхности с использованием модуля микроскопии TrueSurface компании WITec, который отображает трехмерные поверхности с использованием методов хроматической аберрации. Луч белого света направляют на поверхность образца; поскольку компоненты этого луча белого света имеют разные фокусные расстояния, высота места на образце может быть вычислена, когда камера CCD обнаруживает конкретный цвет.После измерения топографии было выполнено картирование CRM большой площади и собрана итоговая фазовая карта.

Рамановское фазовое картирование проводилось с использованием конфокальной системы рамановского микроскопа (alpha300R, WITec, Ulm, Germany). Система состояла из лазера на Nd: YAG 532 нм с удвоенной частотой, который использовался вместе с многоосевым пьезосканером (P-527, Physik Instrumente, Карлсруэ, Германия) и моторизованным столиком большой площади для позиционирования образца. Во время сканирования образца система использовала топографическую информацию, собранную с помощью профилометрии TrueSurface, для сохранения конфокальности при картировании большой площади.Спектры комбинационного рассеяния были получены с использованием термоэлектрически охлаждаемого ПЗС-детектора (DU401A-BV, Андор, Великобритания), размещенного за спектрометром (UHTS 300, WITec, Ульм, Германия) с использованием решетки 600 г мм -1 .

Рамановское фазовое картирование выполнялось с одной третью максимальной интенсивности, чтобы избежать повреждения образца. Для каждой точки на образце, в которой был записан спектр комбинационного рассеяния, использовалось время интегрирования 300 мс, и для каждого пикселя были записаны три спектра, и было взято среднее значение.Для каждого образца была измерена площадь 8000 мкм на 8000 мкм с разрешением 200 пикселей на 200 пикселей. WITec Control FOUR (версия 4.1, Witec) использовался для сбора данных, а WITec Project FOUR (версия 4.1, Witec) использовался для удаления космических лучей, сглаживания и вычитания фона, а также для проведения NMF для определения спектров отдельных фаз. содержится в общем наборе спектров, собранных во время сканирования большой площади.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить археологическую зону и археологический музей Приверно, а также общину Приверно, в частности профессора Маргериту Канчелье и Николетту Кассиери, за их сотрудничество и помощь в обеспечении доступа к археологическому объекту Привернум. .Данные реконструкции, представленные здесь, были собраны с помощью экспертизы Gianfranco Quaranta из Artech Lab и Роберто Скалесса из Erresse Group и DotProduct LLC. Авторы хотели бы поблагодарить Жилберто Квиернети, Марко Никола, Орала Буюкозтюрка, Дитера Броммера и Стивена Палковича за их неоценимые идеи на протяжении всей этой работы посредством частых и содержательных обсуждений. Мы также благодарим компанию Wagner Petrographic (Линдон, Юта, США) за изготовление полированных шлифов, использованных в этом исследовании.

Сокращения

Силикат кальция

Силикат алюминия

Энергодисперсия

факторизация

ASR Щелочно-кремнеземная реакция
BS-SEM Сканирующая электронная микроскопия с обратным рассеянием
CASH Силикат оксида алюминия

CNASH

Гидрат силиката кальция-натрия оксида алюминия
CRM Конфокальная рамановская микроскопия
CSH Гидрат силиката кальция
EDS Спектроскопия

Энергодисперсия
OPC Обычный портландцемент
SEM Сканирующая электронная микроскопия

Отчет о финансировании

Автор не получил специального финансирования для этой работы.

Ссылки

1. Роселл Дж., Бласко Р., Кампени Дж., Диес Дж., Алькальде Р., Менендес Л. и др.
Кость как технологическое сырье на полигоне Гран-Долина (Сьерра-де-Атапуэрка, Бургос, Испания). J Hum Evol. 2011; 61: 125–131. 10.1016 / j.jhevol.2011.02.001
[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2. Лехтман Х., Кляйн С. Производство медно-мышьяковых сплавов (мышьяковистой бронзы) методом переплавки: современный эксперимент, древняя практика. J Archaeol Sci. 1999; 26: 497–526. 10.1006 / jasc.1998.0324 [CrossRef] [Google Scholar] 3.Аканума Х. Значение предметов из железа раннего бронзового века из Каман-Калехойюк, Турция
Анатолий Археологический конный завод. 2008; 313–320. [Google Scholar] 4. Джексон М., Деокампо Д., Марра Ф., Шитц Б. Пуццолановый вулканический пепел среднего плейстоцена в древнеримских бетонах. Geoarchaeology An Int J. 2010; 25: 36–74. 10.1002 / gea.20295 [CrossRef] [Google Scholar] 5. Поллио М., Морган М. Витрувий: десять книг по архитектуре. Кембридж: издательство Гарвардского университета; 1914. [Google Scholar] 6. Палкович С., Броммер Д., Купваде-Патил К., Масич А., Бюлер М., Бююкёзтюрк О.Дорожная карта в мезомасштабе для прочного и устойчивого цементного теста — биоинспекционный подход. Constr Build Mater. 2016; 115: 13–31. 10.1016 / j.conbuildmat.2016.04.020 [CrossRef] [Google Scholar] 7. Фронтинус С. Стратагемы и акведуки Рима. Классическая библиотека Леба; 1925. [Google Scholar] 8. Де Фео Г., Майс Л., Ангелакис А. Технологии управления водными и сточными водами в древнегреческой и римской цивилизациях
Инженерия качества воды. 2011. С. 3–22. 10.1016 / B978-0-444-53199-5.00071-3 [CrossRef] [Google Scholar] 9.Джексон М., Вола Г., Вшянски Д., Олесон Дж., Шитц Б., Брэндон С. и др.
Цементные микроструктуры и долговечность в древнеримских бетонах с морской водой
Исторические минометы: характеристика, оценка и ремонт. Дордрехт: Спрингер; 2012. С. 49–76. 10.1007 / 978-94-007-4635-0_5 [CrossRef] [Google Scholar] 10. Джексон М., Лэндис Э., Брун П., Витти М., Чен Х., Ли К. и др.
Механическая устойчивость и цементирующие процессы в архитектурном растворе императорской римской империи. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2014; 111: 18484–18489. 10.1073 / pnas.1417456111
[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Ланкастер Л. Бетонные сводчатые конструкции в Императорском Риме: инновации в контексте. 1-е изд
Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета; 2005. [Google Scholar] 12. Секундус Г., Рэкхэм Х. Плиний: Естественная история: в десяти томах. Издательство Гарвардского университета; 1942. [Google Scholar] 13. Самуэли Ферретти А. Предложение для студии теоретико-экспериментальной работы делла статика деи монумент в opus caementicium. Mater e Strutt Probl di Conserv. 1997. 7: 63–84.[Google Scholar] 14. Бойл М., Крокер Д., Престера Дж., Бартон С., Белл Л., Берг Г. и др.
Стандартная практика выбора пропорций для конструкционного легкого бетона (ACI 211.2–98). 2004. [Google Scholar] 15. Стефаниду М., Папайянни И. Роль заполнителей на структуру и свойства известковых растворов. Cem Concr Compos. 2005; 27: 914–919. 10.1016 / j.cemconcomp.2005.05.001 [CrossRef] [Google Scholar] 17. Мириелло Д., Барка Д., Блуаз А., Чаралло А., Криши Дж., Де Роуз Т. и др.
Характеристика археологических минометов из Помпеи (Кампания, Италия) и определение этапов строительства с помощью анализа композиционных данных.J Archaeol Sci. 2010; 37: 2207–2223. 10.1016 / j.jas.2010.03.019 [CrossRef] [Google Scholar] 18. Ходжкинсон Э., Хьюз С. Минералогия и геохимия реакций цемент / порода: исследования экспериментальных и аналоговых материалов с высоким разрешением. Geol Soc London, Spec Publ. 1999; 157: 195–211. 10.1144 / GSL.SP.1999.157.01.15 [CrossRef] [Google Scholar] 19. Джексон М., Малкахи С., Чен Х, Ли И, Ли К., Каппеллетти П. и др.
Минеральные цементы из филлипсита и альтоберморита, полученные в результате низкотемпературных реакций вода-порода в римском морском бетоне.Am Mineral. 2017; 102: 1435–1450. 10.2138 / am-2017-5993CCBY [CrossRef] [Google Scholar] 21. Курдовский В. Химия цемента и бетона. Краков, Польша: Springer Science & Business; 2014 г.
10.1007 / 978-94-007-7945-7 [CrossRef] [Google Scholar] 22. Брун П., Инграффеа А., Джексон М., Перуккио Р. Прочность на излом имперско-римского миномета. Eng Fract Mech. 2013; 102: 65–76. 10.1016 / j.engfracmech.2013.02.007 [CrossRef] [Google Scholar] 23. Хигл Дж., Келер М., Линден М. Конфокальная рамановская микроскопия как неразрушающий инструмент для изучения микроструктуры гидратирующих вяжущих материалов.Cem Concr Res. 2016; 88: 136–143. 10.1016 / j.cemconres.2016.07.005 [CrossRef] [Google Scholar] 24. Ренаудин Г., Руссиас Дж., Леру Ф., Каудит-Кум С., Фризон Ф. Структурная характеристика образцов C-S-H и C-A-S-H — Часть II: Местная среда исследована с помощью спектроскопического анализа. J. Solid State Chem. 2009. 182: 3320–3329. 10.1016 / j.jssc.2009.09.024 [CrossRef] [Google Scholar] 25. Ibáñez J, Artús L, Cuscó R, López Á, Menéndez E, Andrade M. Гидратация и карбонизация моноклинных C2S и C3S изучались с помощью рамановской спектроскопии.J Raman Spectrosc. 2007. 38: 61–67. 10.1002 / jrs.1599 [CrossRef] [Google Scholar] 26. Купваде-Патил К., Аль-Айбани А., Абдулсалам М., Мао С., Бумадждад А., Палкович С. и др.
Микроструктура цементного теста с природным пуццолановым вулканическим пеплом и портландцементом на разных стадиях твердения. Constr Build Mater. 2016; 113: 423–441. 10.1016 / j.conbuildmat.2016.03.084 [CrossRef] [Google Scholar] 27. Россен Дж., Скривенер К. Оптимизация SEM-EDS для определения состава C – A – S – H в образцах созревшего цементного теста.Mater Charact. 2017; 123: 294–306. 10.1016 / j.matchar.2016.11.041 [CrossRef] [Google Scholar] 28. Майерс Р., Бернал С., Провис Дж. Фазовые диаграммы для активированных щелочами шлаковых связующих. Cem Concr Res. 2017; 95: 30–38. 10.1016 / j.cemconres.2017.02.006 [CrossRef] [Google Scholar] 29. Дурдзинский П., Дунант С., Бен Хаха М., Скривенер К. Новый метод количественной оценки, основанный на SEM-EDS, для оценки состава летучей золы и изучения реакции ее отдельных компонентов в гидратирующем цементном тесте. Cem Concr Res. 2015; 73: 111–122.10.1016 / j.cemconres.2015.02.008 [CrossRef] [Google Scholar] 30. Коджаба В., Галуччи Э., Скривенер К. Методы определения степени реакции шлака в смешанных цементных пастах. Cem Concr Res. 2012; 42: 511–525. 10.1016 / j.cemconres.2011.11.010 [CrossRef] [Google Scholar] 31. Игараси С., Кавамура М., Ватанабе А. Анализ цементных паст и строительных растворов с помощью комбинации анализа изображений SEM на основе обратного рассеяния и расчетов на основе модели Пауэрса. Cem Concr Compos. 2004; 26: 977–985. 10.1016 / j.cemconcomp.2004.02.031 [CrossRef] [Google Scholar]

32. Massazza F, Pezzuoli M. Некоторые учения о римском бетоне. Растворы, цементы и растворы, использованные при консервации исторических зданий Симпозиум, Рим, 3–6 ноября 1981 г. Рим: ИККРОМ; 1982. С. 219–245.

33. Джексон М., Чианцио Россетто П., Коссо С., Буонфиглио М., Марра Ф. Строительные материалы театра Марцелла, Рим. Археометрия. 2011; 53: 728–742. 10.1111 / j.1475-4754.2010.00570.x [CrossRef] [Google Scholar] 34. Джексон М., Логан Дж., Шитц Б., Деокампо Д., Кавуд С., Марра Ф. и др.Оценка материальных характеристик древних бетонов, Гранд Аула, Рынки Траяна, Рим. J Archaeol Sci. 2009; 36: 2481–2492. 10.1016 / j.jas.2009.07.011 [CrossRef] [Google Scholar] 35. Амини С., Масич А., Бертинетти Л., Тегух Дж., Херрин Дж., Чжу Х и др.
Текстурированный фторапатит, связанный с сульфатом кальция, укрепляет хищные отростки стоматопод. Nat Commun. 2014; 5: 3187
10.1038 / ncomms4187
[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Лин А., Чен П., Мейерс М. Рост перламутра в раковине морского морского ушка.Acta Biomater. 2008. 4: 131–138. 10.1016 / j.actbio.2007.05.005
[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37. Масич А., Уивер Дж. Химическое изображение магния в зубах морского ежа на субмикронной площади большой площади. J. Struct Biol. 2015; 189: 269–275. 10.1016 / j.jsb.2014.12.005
[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Корке П. Робототехника, зрение и управление: основные алгоритмы в MATLAB
Springer Tracts в продвинутой робототехнике. Springer-Verlag;
Берлин Гейдельберг; 2011 г.
10.1007 / 978-3-319-54413-7 [CrossRef] [Google Scholar] 39.Скривенер К., Снеллингс Р., Лотенбах Б. Практическое руководство по микроструктурному анализу вяжущих материалов. Crc Press; 2016. [Google Scholar]

гражданское строительство — Рецепт римского бетона

Предпосылки
Прежде чем объяснять, чем отличается этот тип римского бетона, позвольте мне объяснить, что такое типичный бетон. Бетон состоит из 4 основных материалов:

  1. Мелкий заполнитель (песок)
  2. Крупный заполнитель (гравий)
  3. Вода
  4. Цемент

В типичном бетоне цементом является портландцемент, поэтому его обычно называют портландцементным бетоном (PCC), чтобы отличить его от асфальтобетона, который также имеет мелкий и крупный заполнитель, но в качестве связующего используется асфальт вместо портландцемента.

Существует несколько разновидностей портландцемента, которым присвоены римские цифры от I до V и которые используются для различных целей.

Тип I — общего назначения
Тип II — Умеренная сульфатостойкость
Тип III — Высокая ранняя прочность
Тип IV — Низкая теплота гидратации
Тип V — Высокая сульфатостойкость (во избежание разрушительной химической реакции ASR)

Цементные материалы
Портландцемент — не единственное связующее, которое можно использовать в бетоне, он просто очень распространен, доступен (это не натуральный материал, а является производственным), прочный и имеет достаточно хорошую долговечность.

Другие материалы, которые вступают в реакцию с водой с образованием вяжущих веществ, называются пуццоланами. Это могут быть различные натуральные материалы или, как правило, побочные продукты других производственных процессов. Например, летучая зола, микрокремнезем, угольная зола, шлак и т. Д.

Эти альтернативные пуццоланы часто заменяют портландцемент в различных количествах. Обычно это не полная замена, а частичная замена. Точное соотношение портландцемента к замене пуццолана зависит от состава смеси и типа пуццолана.Вы можете прочитать о них здесь.

Римский бетон
Цемент и пуццоланы реагируют с водой с образованием различных химических соединений, которые в основном состоят из гидрата силиката кальция и алюминия (CASH). Конкретные составы, которые образуются, зависят от типа используемого цемента. Это ключевая часть того, почему они считают, что римский бетон был таким прочным, и является ключевым моментом статьи, на которую вы ссылаетесь. Из статьи

Бетонные фундаменты, стены и сводчатые перекрытия состоят из вулканического туфа дециметровых размеров и кирпичного крупного заполнителя (caementa), скрепленных известково-вулканическим раствором.

Итак, они только что упомянули, что использовали вулканический туф и кирпич в качестве заполнителя, а вулканический пепел, смешанный с известью, в качестве пуццолана.

Помните, что мы хотим, чтобы вяжущий материал образовывал соединения CASH, чтобы они были эффективным связующим. Вулканический пепел состоит в основном из соединений $ SiO_2 $ или $ AlO $, а известь — в основном $ CaO $. Когда вы смешиваете их с водой, вы получаете по существу
$$ CaO + AlO + SiO_2 + H_2O \ к НАЛИЧНЫМ $$

Обратите внимание, что у римлян в то время не было портландцемента, так что это была полная замена пуццоланов.Авторы обнаружили, что во время реакции образуется определенное соединение, называемое стрэтлингитом, и отмечают, что

Кристаллы стрэтлингита в строительном растворе Имперской Римской империи напоминают микроволокна, которые добавляют в цементную пасту современных растворов и бетонов для придания прочности, за исключением того, что они кристаллизуются на месте и укрепляют межфазные зоны, наиболее уязвимый компонент строительного раствора.

Авторы подчеркивают важность этих кристаллов

Существуют три принципиальных различия между кристаллами аутигенного стрэтлингита в римском растворе и добавками из микроволокна в современных цементных пастах.
Во-первых, радиальные сферолиты стратлингита преимущественно растут в межфазных зонах шлака, тогда как добавки из микроволокон остаются в цементном тесте и не усиливают межфазные зоны агрегатов.
Во-вторых, стратлингит устойчив к коррозии по сравнению со стекловолокном и стальными волокнами в цементных матрицах.
В-третьих, аутигенная кристаллизация плотных сростков стратлингита происходит в сложных аккреционных периметральных зонах шлаков, основной массы шлаков и цементного матрикса (рис.3F) спустя много времени после того, как портландит был израсходован примерно через 90 дней гидратации.

Римский бетон с морской водой — секрет сокращения выбросов углерода

Просверлите керн из вулканического пепла на растворе из гашеной извести из древнего порта Байя в заливе Поццулой. Желтоватые включения — это пемза, темные каменные обломки — это лава, серые участки — это другие кристаллические материалы вулканического происхождения, а белые пятна — это известь. Врезка представляет собой изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, особых кристаллов аль-тоберморита, которые являются ключом к превосходному качеству римского бетона с морской водой.(Щелкните изображение для получения наилучшего разрешения.)

Химические секреты бетонного римского мола, который последние 2000 лет провел под водой в Средиземном море, были раскрыты международной группой исследователей во главе с Пауло Монтейро из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Лаборатория Беркли). профессор гражданской и экологической инженерии Калифорнийского университета в Беркли.

Анализ образцов, предоставленных членом команды Мари Джексон, выявил, почему лучший римский бетон превосходил большинство современных бетонов по долговечности, почему его производство было менее вредным для окружающей среды и как эти улучшения могут быть применены в современном мире.

«Дело не в том, что современный бетон плохой — он настолько хорош, что мы используем его 19 миллиардов тонн в год», — говорит Монтейро. «Проблема в том, что на производство портландцемента приходится семь процентов углекислого газа, который промышленность выбрасывает в воздух».

Портландцемент — это источник «клея», который скрепляет большинство современных бетонов. Но его создание высвобождает углерод от горящего топлива, необходимый для нагрева смеси известняка и глины до 1450 градусов по Цельсию (2642 градуса по Фаренгейту), а также от самого нагретого известняка (карбоната кальция).Команда Монтейро обнаружила, что римляне, напротив, использовали гораздо меньше извести и делали ее из известняка, обожженного при температуре 900 ° C (1 652 ° F) или ниже, при этом для этого требовалось гораздо меньше топлива, чем для портландцемента.

Сокращение выбросов парниковых газов — один из мощных стимулов для поиска лучшего способа производства бетона, в котором нуждается мир; другая — потребность в более прочных и долговечных зданиях, мостах и ​​других сооружениях.

«В середине 20 века бетонные конструкции проектировались на 50 лет, и многие из них были взяты в долг», — говорит Монтейро.«Теперь мы проектируем здания на срок от 100 до 120 лет». Тем не менее, римские портовые сооружения пережили 2000 лет химических атак и воздействия волн под водой.

Как это сделали римляне

Римляне изготавливали бетон, смешивая известь и вулканическую породу. В подводных сооружениях известь и вулканический пепел были смешаны для образования раствора, и этот раствор и вулканический туф были упакованы в деревянные формы. Морская вода мгновенно вызвала горячую химическую реакцию. Известь была гидратирована, включая молекулы воды в свою структуру, и вступила в реакцию с золой, склеивая всю смесь.

Залив Поццуоли определяет северо-западную часть Неаполитанского залива. Бетонный образец, исследованный исследователями из Беркли в Advanced Light Source, BAI.06.03, взят из гавани Байя, одного из многих древних подводных мест в регионе. Черные линии обозначают края кальдеры, а красные области — вулканические кратеры. (Щелкните изображение для получения наилучшего разрешения.)

Описания вулканического пепла сохранились с древних времен. Сначала Витрувий, инженер императора Августа, а затем Плиний Старший записали, что лучший морской бетон был сделан из пепла из вулканических регионов Неаполитанского залива (Плиний умер при извержении вулкана Монтана).Везувий, в котором погребены Помпеи), особенно из мест, расположенных недалеко от сегодняшнего приморского города Поццуоли. Пепел со схожими минеральными характеристиками, называемый пуццоланом, встречается во многих частях мира.

Использование лучей 5.3.2.1, 5.3.2.2, 12.2.2 и 12.3.2 в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли, наряду с другими экспериментальными установками в Калифорнийском университете в Беркли, Университете науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии и На синхротроне BESSY в Германии Монтейро и его коллеги исследовали морской бетон в заливе Поццуоли.Они обнаружили, что римский бетон отличается от современного по нескольким существенным причинам.

Один — это вид клея, который связывает компоненты бетона вместе. В бетоне из портландцемента это соединение кальция, силикатов и гидратов (C-S-H). Римский бетон дает существенно иной состав, с добавлением алюминия и меньшего количества кремния. Полученный в результате гидрат силиката кальция-алюминия (C-A-S-H) представляет собой исключительно стабильное связующее.

На лучах ALS 5.3.2.1 и 5.3.2.2, рентгеновская спектроскопия показала, что конкретный способ, которым алюминий заменяет кремний в C-A-S-H, может быть ключом к когезии и стабильности бетона с морской водой.

Еще один поразительный вклад команды Монтейро касается продуктов гидратации в бетоне. Теоретически C-S-H в бетоне из портландцемента напоминает комбинацию природных слоистых минералов, называемых тоберморитом и дженнитом. К сожалению, эти идеальные кристаллические структуры не встречаются в обычном современном бетоне.

Однако тоберморит встречается в растворе древнего бетона с морской водой. В экспериментах по дифракции рентгеновских лучей под высоким давлением на канале ALS 12.2.2 были измерены его механические свойства и впервые выяснена роль алюминия в его кристаллической решетке. Альтоберморит (Al для алюминия) имеет большую жесткость, чем слабокристаллический C-A-S-H, и обеспечивает модель прочности и долговечности бетона в будущем.

Наконец, микроскопические исследования на канале ALS 12.3.2 идентифицировали другие минералы в римских образцах.Обобщение результатов, полученных с различных линий передачи, позволило выявить потенциальные области применения минералов для получения высококачественных бетонов, включая инкапсуляцию опасных отходов.

Уроки будущего

Экологически чистый современный бетон уже включает вулканический пепел или летучую золу угольных электростанций в качестве частичной замены портландцемента, что дает хорошие результаты. Эти смешанные цементы также производят C-A-S-H, но их долговременные характеристики не могли быть определены до тех пор, пока команда Монтейро не проанализировала римский бетон.

Их анализ показал, что римский рецепт требовал менее 10 процентов извести по весу, приготовленной при температуре, равной 2/3 или меньше требуемой для портландцемента. Взаимодействие извести с богатой алюминием пуццолановой золой и морской водой привело к образованию высокостабильных C ‑ A-S-H и альтоберморита, обеспечивающих прочность и долговечность. И материалы, и то, как римляне использовали их, дают уроки на будущее.

«Для нас пуццолан важен с точки зрения его практического применения», — говорит Монтейро. «Он может заменить 40 процентов мирового спроса на портландцемент.А источники пуццолана есть по всему миру. В Саудовской Аравии нет летучей золы, но есть горы пуццолана ».

Более прочный, долговечный современный бетон, сделанный с меньшим количеством топлива и меньшим выбросом углерода в атмосферу, может быть наследием более глубокого понимания того, как римляне создавали свой несравненный бетон.

Эта работа была поддержана Университетом науки и технологий Короля Абдуллы, Фондом классической библиотеки Леба в Гарвардском университете и Управлением науки Министерства энергетики США, которое также поддерживает усовершенствованный источник света.Образцы римского морского бетона были предоставлены Мари Джексон и программой бурения ROMACONS, спонсируемой CTG Italcementi из Бергамо, Италия.

###

Научные контакты: Пауло Монтейро, [электронная почта], 510-643-8251; Мари Джексон, [адрес электронной почты защищен], 928-853-7967

Для получения дополнительной информации прочтите пресс-релиз Калифорнийского университета в Беркли по адресу http://newscenter.berkeley.edu/2013/06/04/roman-concrete/.

«Материал и упругие свойства альтоберморита в древнеримском бетоне с морской водой», Мари Д.Джексон, Джухюк Мун, Эмануэле Готти, Рэй Тейлор, Абдул-Хамид Эмвас, Кагла Мерал, Питер Гуттманн, Пьер Левитц, Ханс-Рудольф Венк и Пауло Дж. М. Монтейро появляются в Журнале Американского керамического общества.

«Раскрытие секретов атоберморита в римском бетоне с морской водой» Мари Д. Джексон, Седжунг Рози Чэ, Шон Р. Малкахи, Кагла Мерал, Рэй Тейлор, Пэнхуи Ли, Абдул-Хамид Эмвас, Джухёк Мун, Сейюн Юн, Габриэле Вола, Ханс-Рудольф Венк и Пауло Дж. М. Монтейро появятся в «Американском минералоге».

Advanced Light Source — это синхротронный источник света третьего поколения, излучающий свет в рентгеновской области спектра, который в миллиард раз ярче, чем солнце. ALS — это национальный пользовательский объект Министерства энергетики, который привлекает ученых со всего мира и поддерживает своих пользователей в выполнении выдающихся научных исследований в безопасной среде. Для получения дополнительной информации посетите www-als.lbl.gov/.

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли решает самые насущные научные проблемы мира, продвигая устойчивую энергетику, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной.Основанная в 1931 году, лаборатория Беркли получила 13 Нобелевских премий. Калифорнийский университет управляет лабораторией Беркли в Управлении науки Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации посетите www.lbl.gov.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Office of Science по адресу science.energy.gov.

Мгновенный камень (просто добавьте воды!)

С тех пор, как люди начали оставлять свои кочевые обычаи и жить в оседлых обществах около десяти тысяч лет назад, нам нужно было строить структуры: чтобы укрыться, хранить наши товары, почитать богов.

Самый простой способ построить — из земли. Грязь, глина, любая земля. Сложите это в кучу, и у вас будут стены. Несколько стен и соломенная крыша — и у вас есть хижина.

Земляной домик с соломенной крышей в Судане

Петр Адам Дохналек / Викимедиа

Но у земляного строительства много недостатков.Грязь не очень сильная, поэтому вы не можете строить очень высокие или складывать несколько этажей. Он имеет тенденцию смываться дождем, поэтому действительно работает только в жарком и сухом климате. И его могут прорвать злоумышленники — животные или люди.

Нам нужно что-нибудь покрепче. Материал, который достаточно твердый и прочный, чтобы выдержать любую бурю, построить высокие стены и потолки, защитить нас от непогоды и нападавших.

Камень подойдет идеально. Это достаточно сложно для работы, а камней в природе много.Но, как и все остальное в природе, мы находим их в неудобной форме. Скалы не имеют формы домов, не говоря уже о храмах. Мы могли бы сложить или сложить их, если бы у нас было что-то, что их скрепляет.

Если бы мы только могли — терпи меня сейчас, пока я предаюсь самой безумной фантазии — заливать жидкий камень в формы, чтобы создавать камни любой формы, какой мы хотим! Или — пока я мечтаю — что, если бы у нас был клей крепкий, как камень, чтобы склеивать небольшие камни вместе в стены, пол и потолок?

Это чудо, конечно, существует.В самом деле, это может быть самый старый корабль, известный человечеству. Вы уже знаете это — и, вероятно, думаете об этом как об одном из самых унылых и скучных веществ, которые только можно вообразить.

Я здесь, чтобы убедить вас, что это чистая магия и что мы должны смотреть на нее с трепетом.

Это цемент.


Начнем с самого начала. Известняк — это мягкий камень светлого цвета с зернистой текстурой, который шипит в присутствии кислоты. Мел — это форма известняка. Что отличает известняк и делает его полезным, так это высокое содержание кальция («кальций» и «мел» — родственники).В частности, это карбонат кальция (CaCO 3 ), то же вещество, из которого состоят морские ракушки. Фактически, известняк, осадочная порода, часто образуется из раздробленных морских ракушек, спрессованных в течение эонов.

Известняк из карьера на юге Германии

Ханнес Гробе / Викимедиа

Известняк может использоваться для многих целей, включая удобрения и побелку, но его наиболее важное промышленное применение — это производство цемента. Когда его нагревают примерно до 1000 ° C (т.е.г., в печи), получается порошок, называемый негашеной извести. С химической точки зрения происходит то, что сжигание карбоната кальция удаляет диоксид углерода и оставляет оксид кальция (CaCO 3 + тепло → CaO + CO 2 ).

Негашеная известь — едкое вещество: прикосновение к ней обожжет кожу (отсюда «быстро», что означает «активный», «живой»). Но, пожалуй, самым странным его свойством является то, что при смешивании с водой он реагирует, выделяя тепло — достаточно, чтобы вскипятить воду! Результатом, называемым «гашеной» или «гашеной» известью, является гидроксид кальция (CaO + H 2 O → Ca (OH) 2 + тепло).

Кирпичная стена на цементном растворе

Бетонная стена с видимым заполнителем

Далее, если вы вылейте известково-водную суспензию в форму, не слишком густую, и выставите ее на воздухе, произойдет еще более удивительная вещь: в течение нескольких часов смесь «затвердеет» и снова станет твердой. как камень. Гидроксид кальция поглотил CO 2 из воздуха, чтобы вернуться в карбонат кальция (Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O), завершая то, что известно как « известковый цикл ».

Другими словами, при смешивании с водой и воздухом этот порошок — основной цемент — снова превратился в камень! Если бы этой технологии не существовало с тех пор, как это было задокументировано, это могло бы показаться футуристическим.

Продукт из чистого известкового цемента слишком хрупкий и хрупкий, чтобы его можно было использовать (кроме, возможно, затирки). Но мы можем сделать его сильнее, смешав песок, гравий или гальку, что называется «заполнителем». Из цемента, воды и песка образуется раствор — клей, который может скрепить кирпичи или камни в кирпичной стене.Добавление гравия или гальки также сделает бетон, который можно заливать в формы, чтобы закрепить на месте. (Термины «цемент» и «бетон» часто объединяются, но технически цемент — это порошок, из которого изготавливают раствор и бетон; бетон — это вещество, полученное путем добавления заполнителя, из которого состоят тротуары, здания и т.д.)

Кирпичная стена на цементном растворе

Бетонная стена с видимым заполнителем


Эта базовая технология известна с доисторических времен: обжиг известняка старше гончарного дела, намного старше обработки металлов и, возможно, старше сельского хозяйства.Но на протяжении тысячелетий были созданы лучшие формулы цемента с превосходными смесями ингредиентов и улучшенными процессами.

Чистому известковому цементу требуется воздух для схватывания, поэтому он не может схватываться, если его залить слишком толстым слоем или под водой (например, на русле реки, чтобы сформировать основу колонны моста). Римляне, которые были большими пользователями цемента, обнаружили, что добавление вулканического пепла, называемого поццалана, к извести приводит к образованию цемента, который затвердевает даже под водой; это называется «гидравлический цемент». Они использовали этот «римский цемент», чтобы построить все, от акведуков до Колизея.Другой распространенный гидравлический цемент, называемый «натуральный цемент», образуется из смеси известняка и глины, которые иногда встречаются вместе в природных отложениях.

Пон-дю-Гар, римский мост-акведук недалеко от Нима, Франция

Готическое окно, Церковь Святой Елены, Линкольншир, Англия

Спенсер Минс / Flickr

С середины 1800-х годов наиболее широко используемым цементом является портландцемент. Не вдаваясь в подробности, это делается с помощью не интуитивно понятного процесса, который включает нагревание известково-глинистой суспензии до точки, где она плавится в твердое вещество, называемое «клинкер».Клинкер изначально считался отходами, испорченным продуктом — до тех пор, пока не было обнаружено, что его измельчение в порошок дает цемент, который прочнее римского или природного цемента. (!) Сегодня на рынке доступен широкий выбор цементов, оптимизированных для различных условий.

Независимо от формулы, однако, все цементы имеют один недостаток: они очень сильны при сжатии, что является той силой, которая необходима для колонны или стены, но слабы при растяжении, которое проявляется, например, когда балка пряжки под нагрузкой.Римляне решили эту проблему, используя арки, которые направляют силы на сжатие вдоль арки. Средневековые строители создали остроконечную готическую арку, которая могла простираться даже выше, чем круглые римские арки, и аркбутан, который укреплял стены их высоких соборов.

Пон-дю-Гар, римский мост-акведук недалеко от Нима, Франция

Готическое окно, Церковь Святой Елены, Линкольншир, Англия

Спенсер Минс / Flickr

Но в двадцатом веке появился новый способ строительства: армирование бетона сталью.Сталь, в отличие от бетона, имеет высокую прочность на разрыв, поэтому этот «железобетон» прочен как на сжатие, так и на растяжение. Арматурные стержни, созданные для этой цели, называются «арматурными стержнями». Армирование позволяет использовать бетон не только для фундаментов, стен и колонн, но и для консольных конструкций, таких как настил Fallingwater.

Фоллингуотер, Фрэнк Ллойд Райт

Матье Тувенен / Flickr


Это цемент. Мы начинаем с камня, измельчаем и сжигаем его, чтобы извлечь его суть в порошкообразной форме, а затем воссоздавать его в месте, времени и в форме по нашему выбору.Как кофе или смесь для блинов, это «быстрорастворимый камень — просто добавьте воды!» И с его помощью мы создаем небоскребы высотой в сотни этажей, туннели, проходящие под Ла-Маншем и Швейцарскими Альпами, и мосты на сотни миль.

Если это не волшебство, я не знаю, что это такое.


Источники и дополнительная литература: Конкретная планета: странная и увлекательная история самого распространенного в мире искусственного материала, Geology.com, Коалиция по образованию в области минералов, Ассоциация портландцемента и многие страницы в Википедии.Спасибо также Дагу Пельцу из Mystery Science за полезные беседы.

ОБНОВЛЕНИЕ


, октябрь 2019 г .: см. Следующий пост, в котором я разъясняю химический состав гидравлического цемента и отвечаю на дополнительные вопросы.

Напишите мне письмо

Товарный бетонный состав | Hanson UK

Основными составляющими бетона являются цемент, вода и заполнитель.

Другие компоненты, такие как добавки, пигменты, волокна, полимеры и арматура, могут быть включены для изменения свойств пластика или затвердевшего бетона.Свойства пластичного и затвердевшего бетона определяются сочетанием используемых компонентов. Конструкция бетонной смеси — это название процедуры выбора определенной комбинации компонентов.

Заполнители

В бетоне основным компонентом с точки зрения объема является Заполнитель. По сути, бетон похож на искусственный камень, состоящий из заполнителей, связанных вместе гидратированным цементом.

Заполнитель очень важен для многих свойств бетона, в том числе; удобоукладываемость; усадка; термическое расширение; прочность на сжатие и растяжение.Агрегат условно подразделяют на два размера: крупный и мелкий.

Цемент и добавки

Примечание по безопасности — Большинство цементов при смешивании с водой являются сильно щелочными и могут вызвать щелочные ожоги незащищенной кожи. Избегайте контакта кожи со свежим влажным бетоном.

Цемент при смешивании с водой образует пасту, которая затвердевает в прочный твердый материал. Именно эта паста заполняет пустоты между частицами заполнителя и связывает их вместе, образуя бетон. Этот процесс отверждения (который происходит в результате химической реакции с водой) известен как гидратация.

Когда в цемент добавляется вода, продукты гидратации растут вокруг частицы цемента, поскольку она впитывает воду. Эта зона расширяющихся продуктов гидратации будет пересекаться и связываться с продуктами от других частиц цемента и плотно заключать в себе частицы заполнителя, таким образом «связывая» бетон вместе.

Цемент гидратируется под водой. При недостаточном количестве доступной воды гидратация прекратится, и бетон может быть низкого качества. Процесс удержания воды в бетоне для облегчения полной гидратации известен как отверждение.

До недавнего времени термин «цемент» был аббревиатурой портлендского цемента. Однако теперь его значение расширилось и теперь охватывает значительно увеличившийся ассортимент продукции, в котором портландцемент сочетается с другими составляющими, такими как зола-унос, также известная как пылевидная топливная зола (PFA) и измельченный гранулированный доменный шлак (GGBS).

Пуццоланы — это природные или промышленные материалы, которые вступают в реакцию с известью, выделяющейся при гидратации портландцемента. Природные пуццолланы встречаются в континентальной Европе и других частях мира и использовались в бетоне со времен Римской империи.Промышленные пуццоланы обычно являются побочными продуктами других процессов, и материалы этого типа включают пылевидную топливную золу, молотый, гранулированный доменный шлак, микрокремнезем и метакаолин. Они широко используются в Соединенном Королевстве и других странах для улучшения свойств бетона, обычно путем удаления свободной извести и преобразования ее в стабильные вяжущие продукты.

Вода

Вода необходима в бетоне по двум причинам: во-первых, для гидратации цемента, а во-вторых, для обеспечения подвижности, когда бетон находится в жидком состоянии (удобоукладываемость).Обычно количество воды, необходимое для мобильности, больше, чем требуется только для гидратации. Используемая вода должна быть чистой, то есть питьевой воды.

Многие свойства бетона зависят от содержания воды и, в частности, от водоцементного отношения.

Добавки

Добавки — это материалы, в основном жидкости, которые добавляются в бетон на стадии замеса и изменяют свойства пластичного или затвердевшего бетона. Обычно их добавляют в небольших концентрациях.Существует ряд различных типов добавок, например, водоредуцирующих, пластифицирующих, воздухововлекающих, замедлителей схватывания, ускорителей, компенсации усадки, газообразования, водонепроницаемости.

Волокна

В бетон во время смешивания можно добавлять различные типы волокон, чтобы изменить пластичные и / или затвердевшие свойства бетона. Изменения свойств бетона будут зависеть от материала волокна, формы волокна и концентрации дозировки.

Распространенными типами волокон являются полипропилен, устойчивое к щелочам стекло и сталь.

Загадка древнеримского бетона, Дэвид Мур, ЧП

РОМАНБЕТОН · COM

Дом ·
Римский бетон ·
Загадка древнеримского бетона

Дэвид Мур, ИП, 1995

Профессиональный инженер на пенсии, Бюро мелиорации

Доцент, Центральный Техасский колледж

Copyright 1993 Дэвид Мур, P.E.

(Эта статья впервые появилась в информационном бюллетене США «The Spillway»
Департамент внутренних дел, Бюро мелиорации, регион Верхний Колорадо, февраль,
1993)

Древнеримский бетон выдержал атаку стихии более
2000 лет.Основные строительные техники римлян должны быть лучше
чем в современной практике, если судить по сравнению продуктов. Может
мы учимся у римлян, как улучшить наш бетон?

Пыльные древние исторические книги научили нас, что римский бетон состоял из
всего из трех частей: пастообразная, гашеная известь; пуццолановый пепел из близлежащего
вулкан; и несколько кусков камня размером с кулак. Если бы эти части были смешаны
вместе, как современный бетон и помещенные в структуру,
результат, конечно, не выдержал бы испытания веками.Загадка преследует
умы наших специалистов по бетону. . . как эти римляне вокруг
времена Христа строили такие сложные, нестареющие конструкции из бетона.
как видно на горизонте Рима?

Самая необычная римская постройка, демонстрирующая их технический прогресс.
Пантеон, кирпичное здание, которое выдержало разрушения
выветривания в почти идеальном состоянии, великолепно сидящий в бизнесе
район Рима. Возможно, его долговечность объясняется его предназначением. . . к
почитай всех богов.Прежде всего, это здание смиряет современного инженера, а не
только в своем художественном великолепии, но еще и потому, что здесь нет стальных прутьев.
чтобы противостоять высоким растягивающим силам, необходимым для удержания современного бетона
все вместе. Описание этого большого круглого здания говорит о многом.
его строителей; он был разработан, чтобы содержать вымышленный мяч, и
143 фута в диаметре со стеной в виде юбок, падающих с его
длина окружности. В центре купола находится 19-футовый проем, удерживаемый на месте.
бронзовым кольцом, поддерживаемым кирпичным кольцом, встроенным в бетонный купол.Это оригинальное отверстие впускало солнечный свет, чтобы украсить интерьер.
изогнутый мраморный пол обеспечивал дренаж и сложные выемки в стенах
и потолок говорят лишь о некоторых особенностях его продуманной конструкции.

Решение загадки древнего бетона состояло из двух исследований:
понимал химию, а другой определял размещение
старинного бетона. Чтобы понять его химический состав, мы должны пойти
назад во времени, намного раньше Моисея. Люди Ближнего Востока построили стены для
свои укрепления и дома, толкая влажную глину между формами, часто
называется pise work.Для защиты поверхности глины от эрозии
древние обнаружили, что влажный слой тонкого белого обожженного известняка
будет химически соединяться с газами в воздухе, чтобы обеспечить жесткую защиту
уклонялся. Мы можем только догадываться, что событие открытия псевдобетона
произошло примерно за 200 лет до Рождества Христова, когда на
стена из вулканического пуццоланового пепла недалеко от города Поццуоли в Италии.

Произошла химическая реакция между химическими веществами в стене
вулканический пепел (кремнезем и небольшое количество глинозема и оксида железа) и
слой извести (гидроксида кальция), нанесенный на стену.Позже они нашли
что смешать немного вулканического пепла в мелком порошке с влажной известью
сделал более толстое пальто, но также произвел прочный продукт, который мог
быть погруженным в воду — что-то такое, что гипсовый продукт из мокрой извести и
простой песок не мог совпадать.

Чтобы объяснить это химическое различие, мы должны
изучить атомную структуру. Обычная штукатурка выполняется мокрой известью и
простой песок. Этот песок имеет кристаллическую атомную структуру, благодаря которой кремнезем
настолько конденсирован, что в молекулярной сетке нет атомных дыр, позволяющих
молекула гидроксида кальция из извести вступает и вступает в реакцию.Противоположный
верно для влажного контакта извести и пуццолана. Пуццолан имеет аморфный
атомная структура кремнезема с множеством дырок в молекулярной сетке. На
смешивая влажную известь с пуццоланом, гидроксид кальция поступает в
атомные отверстия, чтобы сделать бетонный гель, который расширяется, склеивая куски камня
все вместе. Состояние мелкодисперсного порошка пуццолана обеспечивает большую поверхность
область для усиления химической реакции. Мы находим части сложной химии
из древнего геля для бетона, соответствующего той же химической формуле
современного бетонного геля.Итак, липовый гель с пуццоланом
дала стойкость древнему бетону.

Объяснение размещения
Древний бетон решил вторую часть загадки. Невольно исследования
Бюро мелиорации сыграло здесь ключевую роль. Только химия будет
не сделать хороший бетон. Люди делают хороший бетон, и Бюро мелиорации
заявил о славе этого опыта. Хотя новый бетонный продукт
так называемый валково-уплотненный бетон, был грубо разработан, Reclamation’s
доработки сделали его экономичным кандидатом для строительства плотины.В 1987 г.
проницательные инженерные силы Бюро мелиорации построили большой Верхний
Плотина Стиллуотер из бетона, уплотненного роликами, в восточной части штата Юта. Этот
бетон состоял из смеси 40 процентов портландцемента и 60 процентов
летучая зола, побочный продукт электростанций. По совпадению, муха
зола содержала те же аморфные соединения кремнезема, что и зола взрывоопасных
вулканы. А гидратированный портландцемент высвободил кальциевый компонент.
признанный в составе извести в древней рецептуре бетона.

Когда Бюро мелиорации
смешал эти две части для их плотины, образовался связывающий гель, чтобы связать инертный
соедините части люка вместе. Камни использовались как прочный наполнитель.
материал во многом так же, как используется в стандартной бетонной практике.
Таким образом, мы можем легко связать молекулы гидроксида кальция из Портленда.
цемента древней влажной извести, а аморфный кремнезем
летучая зола пуццолана до аморфного кремнезема вулканического пуццолана. Таким образом,
мы установили разумные отношения для конкретных компонентов
которые делают гель как для современного, так и для древнего бетона.

Сходство ингредиентов современного и древнего бетона имеет
было объяснено, но это еще не все. Исследования процесса размещения
очень важно при изготовлении прочного бетона. Бюро мелиорации смешанное
их компоненты (цемент, зола и порода) с минимальным количеством воды
дать твердый, безусадочный бетон; разложить слоями на плотине; а также
толкнул его на место большими вибрирующими роликами, чтобы создать новый класс
конкретный.

Древние руки смешивали их компоненты (влажная известь и вулканический
зола) в ступке с очень небольшим количеством воды, чтобы получить почти сухой состав;
переносили на место работы в корзинах, кладя на заранее подготовленный
пласт обломков горных пород; а затем продолжил вбивать раствор в скалу
слой.К счастью, у нас есть доказательства. Витрувий, известный римский архитектор
(ок. 20 г. до н. э.) упомянул этот процесс в своих исторических формулах для своих конкретных
плюс тот факт, что для строительства стены цистерны использовались специальные инструменты для утрамбовки.
Это важно? Да, плотная упаковка молекулярной структуры утрамбовкой
снижает потребность в лишней воде, которая является источником пустот и слабости.
Но также плотная упаковка дает больше связующего геля, чем обычно.
ожидал. Опять же, у нас есть сходство с древними и роликовыми уплотнителями.
конкретные методы, которые заключаются в плотном уплотнении материалов в
их размещение.

Мы узнали, что древний бетон представлял собой простую смесь влажной извести.
и пуццолан в определенных пропорциях, чтобы соответствовать желаниям римского архитектора.
Мы также узнали, что римляне использовали метод утрамбовки.
их твердый раствор в пустоты каменного слоя. И что интересно,
новый бетон, разработанный Бюро мелиорации, следует за
близко к древним. Таким образом, мы можем легко предположить, что новый класс
бетона в Верхней плотине Стиллуотер хватит.. . возможно, в течение 2000 лет
как древнеримский бетон.

Copyright © 1999 Дэвид Мур, ЧП

www.romanconcrete.com

понимание цемента pdf mediafire

Понимание цемента

Понимание цемента интерпретация науки о цементе Введение В этой небольшой электронной книге описаны некоторые возможные причины низкой прочности бетона или раствора, связанные с цементом. Это не исчерпывающий список, но он охватывает некоторые из наиболее распространенных причин для каждой Возможная причина, есть краткое описание, за которым следует краткое обсуждение По сути, эта электронная книга представляет собой контрольный список из

[PDF] Понимание цемента Скачать бесплатно PDF

СКАЧАТЬ PDF Поделиться Вставить описание Скачать Понимание цемента Комментарии Отчет «Понимание цемента» Пожалуйста заполните эту форму, мы постараемся ответить как можно скорее. Ваше имя Причина Описание Отправить Закрыть Поделиться Вставить «Understanding Cement» Скопируйте и вставьте этот скрипт встраивания туда, куда вы хотите встроить

Understanding Cement: An Introduction to Cement Production

скачать Общие сведения о цементе: введение в производство цемента, гидратации цемента и Потрясающие процессы в бетоне, 2012 г. Более пристальный взгляд, Мэри Маккарти, 21 августа 2007 г., Художественная литература для детей, 40 страниц Откройте глаза Откройте свой разум Откройте свое воображение Посмотрите! Что ты видишь? Красивые бумажные коллажи Мэри Маккарти отправят маленьких детей в путешествие

Николас Б. Зима Понимание цемента

Введение в производство цемента понимание цемента pdf mediafire immohamblenne be BS 8110 бетонный центр купить книгу sem edx цемента и бетона 25 понимание цемента — быстрая звезда пользователь бетон существительное ваш словарь понимание цемент николай б зима 01 цемент IFC международная финансовая корпорация вступительный экзамен Ник Дейл

Понимание цементной книги с бонусной электронной книгой

Понимание основ цементного материаловедения и химии важно для всех, кто работает с цементом и бетоном технологии, особенно на более высоких должностях К сожалению, отрасль не всегда очень хороша в обеспечении необходимого обучения, и многим книгам по этой теме трудно следовать, если вы не являетесь химиком-аспирантом

Глоссарий некоторых термины, используемые в цементе, конц. rete и в

Пожалуйста, не стесняйтесь передавать этот pdf-файл глоссария своим друзьям и коллегам, если вы думаете, что они сочтут его полезным AFm AFm (Al 2O 3Fe 2O 3mono) представляет собой еще одну группу гидратов алюмината кальция с общей формулой: [Ca 2 (Al, Fe) (OH 6)] XnH 2O, где X представляет собой однозарядный анион или «половину» двухзарядного аниона. X может быть одним из многих анионов; наиболее важные в Portla

[PDF] Общие сведения о цементе Скачать бесплатно PDF

СКАЧАТЬ PDF Поделиться Вставить описание Загрузить Общие сведения о цементе Комментарии Отчет «Общие сведения о цементе» Пожалуйста, заполните эту форму, мы постараемся ответить как можно скорее. Ваше имя Причина Описание Отправить Закрыть Поделиться Вставить «Общие сведения о цементе» Скопируйте и вставьте этот сценарий встраивания туда, куда вы хотите встроить

[PDF] Общие сведения о цементе Скачать бесплатно PDF

Общие сведения о цементе Нажмите, чтобы начать загрузку СКАЧАТЬ PDF Сообщить об этом файле Описание Учетная запись производства цемента 157553922 Войти Зарегистрируйтесь Поиск Поиск * Обновления статистики COVID19 * * Заявление об ограничении ответственности: этот веб-сайт не имеет отношения к нам Мы просто делимся информацией для улучшения мира Давайте бороться с коронавирусом О нас Мы считаем, что все в Интернете должно быть бесплатным Итак, это

Understanding Cement: An Введение в производство цемента

загрузить Общие сведения о цементе: An In Введение в производство цемента, гидратацию цемента и вредные процессы в бетоне, 2012 г. Более пристальный взгляд, Мэри Маккарти, 21 августа 2007 г., Художественная литература для детей, 40 страниц Откройте глаза Откройте свой разум Откройте свое воображение Посмотрите! Что ты видишь? Красивые бумажные коллажи Мэри Маккарти отправят маленьких детей в путешествие

Николас Б. Зимний Понимание цемента

Понимание цемента pdf mediafire immohamblenne 15 мая 2018 Понимание цемента Введение в цемент понимание цемента введение в производство цемента гидратация цемента и вредные процессы в мире бетон 2012 nicholas b winter ‘2/12’ извлекает выгоду из детской неграмотности the new york times january 2, 2016 nicholas kristof Credit Damon Winter

Лекция 6 Цемент Aalto

Цемент — это гидравлическое вяжущее (гидравлическое = затвердевание в сочетании с водой ), который используется для производства бетона. Цементная паста (цемент, смешанный с водой) схватывается и затвердевает в результате гидратации как на воздухе, так и под водой. Основными материалами для портландцемента являются известняк, мергель и глина, которые смешиваются в определенных пропорциях. смесь обжигается при температуре около 1450 ° C с образованием клинкера, который составляет

Глоссарий o f некоторые термины, используемые в цементе, бетоне и в

Пожалуйста, не стесняйтесь передать этот файл в формате pdf с глоссарием своим друзьям и коллегам, если вы думаете, что они сочтут его полезным AFm AFm (Al 2O 3Fe 2O 3mono) представляет собой другую группу кальция. алюминатные гидраты с общей формулой: [Ca 2 (Al, Fe) (OH 6)] XnH 2O, где X представляет собой однозарядный анион или «половину» двухзарядного аниона. X может быть одним из многих анионов; наиболее важные в Портле

Представлено Расти Бойкуром, PG NDE Materials

Основы бетона Представлено Расти Бойкуром, специалистом по материалам PG NDE Проверка материалов Проверка материалов История бетона Назван в честь камня, добытого в карьере с острова Портленд в Великобритании Впервые использованный Джозефом Аспдином из Лидса, Англия, в 1824 г. Другие формы, использовавшиеся на протяжении всей древности Пантеон, Рим, построенный императором Адрианом ~ 126 г. н.э. Стабийские ванны, Помпейские бани, Помпеи, построенные 1

ОСНОВЫ БЕТОНА Руководство по бетонной практике

Цементные бетонные агрегаты Австралия — некоммерческая организация спонсируется предприятиями по производству цемента и заполнителей в Австралии для предоставления информации о многих сферах применения цемента и бетона. Настоящая публикация подготовлена ​​CCAA для этой цели, поскольку предоставленная информация предназначена только для общего руководства и никоим образом не заменяет услуги профессиональных консультантов.

Совместное использование файлов и хранилище made sim Ple MediaFire

MediaFire позволяет легко делиться через, на вашем веб-сайте, в социальных сетях, в мессенджерах или в любом другом месте с помощью ссылки. Несколько загрузок одновременно. Загрузка сотен или даже тысяч файлов одновременно через любой веб-браузер или с помощью наших удобных приложений для Android. , BlackBerry, Windows, iPhone или iPad. Упорядочивайте с легкостью. Упростите поиск документов и файлов с помощью мощного, но все же мощного средства MediaFire

[PDF] Общие сведения о цементе Скачать PDF

Общие сведения о цементе Нажмите, чтобы начать загрузку СКАЧАТЬ PDF Сообщить об этом файл Описание Учетная запись для производства цемента 157553922 Авторизация Зарегистрироваться Поиск Поиск * Обновления статистики COVID19 * * Заявление об ограничении ответственности: этот веб-сайт не имеет отношения к нам. Мы просто делимся информацией о лучшем мире. Давайте бороться с коронавирусом. О нас Мы считаем, что все в Интернете должно быть бесплатным. это

Представлено Расти Бойкур, PG NDE Материалы

Основы бетона Представлено Расти Бойкуртом, PG NDE Специалист по материалам Проверка материалов Инспекция История бетона Названа в честь каменоломни с острова Портленд в Великобритании. Впервые использовалась Джозефом Аспдином из Лидса, Англия, в 1824 году. Другие формы, использовавшиеся на протяжении всей античности. Пантеон, Рим, построенный императором Адрианом ~ 126 г. н.э. построен 1

Лекция 6 Цемент Aalto

Цемент — это гидравлическое вяжущее (гидравлическое = затвердевание в сочетании с водой), которое используется для производства бетона. Цементный тест (цемент, смешанный с водой) схватывается и затвердевает за счет гидратации как на воздухе, так и под водой Основными базовыми материалами для портландцемента являются известняк, мергель и глина, которые смешиваются в определенных пропорциях. Эта сырьевая смесь сжигается при температуре около 1450 ° C с образованием клинкера, который составляет

Понимание замедления гидратации цемента, вызванного

Этот проект был предпринята для лучшего понимания системы цемент-цинк и внесения вклада в узкий круг исследований. Система была изучена в очень раннем возрасте (первые 48 часов), так как это давало достаточно времени для перехода системы из периода замедления и достижения состояния, аналогичного состоянию чистой цементной системы. Были использованы следующие методы определения характеристик

Понимание цемента nicholas winter pdf

По мере увеличения содержания сульфата клинкера вместо него использовался дробленый кирпич или плитка. Таким образом, жидкость, из которой кристаллизуются алюминат и феррит, имеет решающее значение для процесса производства цемента. Общие сведения о цементе Введение в производство цемента, гидратацию цемента и вредные процессы в бетоне Николай Б

ОСНОВЫ БЕТОНА Руководство по бетонной практике

Cement Concrete Aggregates Australia — это некоммерческая организация, спонсируемая предприятиями по производству цемента и заполнителей в Австралии, для предоставления информации о различных сферах применения цемента и бетона. Данная публикация подготовлена ​​CCAA для этой цели. Поскольку предоставленная информация предназначена для только общие рекомендации и никоим образом не заменяют услуги профессиональных консультантов

Химический состав цемента

SO3 также появляется в анализе цемента, который происходит из-за добавления гипса (46)% во время расслоения клинкера Спецификация Ирака и Великобритании для обычного высокопрочного портландцемента указал, что содержание SO3 должно быть между (325)% в зависимости от типа цемента и содержанием C3A. Процент MgO в цементе, который происходит из соединений магнезии в сырье, составляет примерно (41)% и не более 5%

Основы бетона в Строительство от строительства

Министерство обороны США подготовило учебный документ на 59 страницах, в котором есть некоторые подробные сведения о стыках и руководства по проектированию для понимания бетонных полов под названием Бетонные плиты перекрытия на уровне, подверженном тяжелым нагрузкам, официальное название — UFC 332006A, 1 марта 2005 г. Учебное пособие ВВС США по бетонным конструкциям — это учебное пособие на 39 страницах, которое обучает нескольким основным конкретным навыкам.

Процесс производства цемента SlideShare

Процесс производства цемента 1 1 Что такое цемент? 2История 3Обзор процесса производства цемента 4Обзор процесса печи 5Почему сжигают отходы? 2 Портландцемент Гидравлический цемент, полученный путем тонкого измельчения клинкера, полученного кальцинированием до начала плавления, смеси глинистых и известковых материалов Портландцемент представляет собой порошок, который является активным

(PDF) Мощный инструмент для лучшего понимания цемента

PDF на 1 марта 2017 г. Франческо Карузо и другие опубликовали «Мощный инструмент для лучшего понимания гидратации цемента» Найдите, прочтите и процитируйте все необходимые исследования на ResearchGate

Понимание замедления гидратации цемента, вызванного

Этот проект был предпринят для лучшего понимания цементно-цинковой системы и вносят свой вклад в узкий круг исследований Цементно-цинковая система изучалась в очень раннем возрасте (первые 48 часов), поскольку она давала достаточно времени для перехода системы из периода замедления и достижения состояния, аналогичного чистому цементу. система Были использованы следующие методы определения характеристик

Химический состав цемента

SO3 также появляется в анализе цемента, который происходит из-за добавления гипса (46)% во время расслоения клинкера. В спецификации Ирака и Великобритании для нормального высокоскоростного портландцемента указано, что содержание SO3 должно быть между (325)% в зависимости от типа цемента и содержания C3A. Процент MgO в цементе, который образуется из соединений магнезии в сырье, составляет около (41)% и не более 5%.

ЦЕМЕНТ И БЕТОН ТЕХНОЛОГИИ الصفحات الشخصية

Цемент представляет собой измельченный материал, который развивает связывающие силы из-за реакции с водой. xHydraulic Cement: Устойчивый под водой xNonhydraulic Cement: Продукты гидратации не устойчивы к воде (например, известняк) Гидравлические цементы Цементы, которые затвердевают при реакции с водой и образуют водостойкий продукт Портландцемент (PC) Портландцемент — это гидравлический цемент, способный к схватыванию

EasyBCD 2_By EngBeSo0rar www

4shared / file // df / JRocks__Spirit__05_Kau_Curihtml

Процесс производства цемента ss SlideShare

Процесс производства цемента 1 1 Что такое цемент? 2История 3Обзор процесса производства цемента 4Обзор процесса печи 5Почему сжигают отходы? 2 Портландцемент Гидравлический цемент, полученный путем тонкого измельчения клинкера, полученного путем кальцинирования до начального плавления смеси глинистых и известковых материалов Портландцемент представляет собой порошок, который является активным

Бетонные основы в строительстве от строительства

Производство Министерства обороны США Учебный документ на 59 страницах, содержащий некоторые подробные сведения о соединениях и руководства по проектированию для понимания бетонных полов под названием Бетонные плиты перекрытия в зависимости от уровня, подверженного большим нагрузкам, официальное название — UFC 332006A, 1 марта 2005 г. Учебное пособие ВВС США по конструкционным бетонным работам учебное пособие на 39 страницах, которое обучает нескольким базовым конкретным навыкам. Это

Boldy James Discografía Mediafire 20112020

Concrete Connie (Ft Tennille) (Prod by Brains) 9 Drops Of Reign (Ft Sir Michael Rocks) (Prod by Tye Hill) 10 Ты знаешь мое имя (Скит) 11 Вторжение в дом (Автор Тай Хилл) 12 Убийство Да 5-е (Автор Дона Кэннона) 13 Школа Вождения грузовика (Прод. by Brains) 14 JIMBO (автор: Chuck Inglish) 15 TopVillain (Prod by Brains) 16 Meet The Neighbours (Skit) 17 There Goes The Neighborhood (Prod

Формулы бетонной смеси

Сверхпрочный бетон 40 МПа (перемычки из предварительно напряженного железобетона) , балки, бетонные плиты, несущие элементы пола, бетонные трубы Мосты) 33 литра (50 кг цемента) 50 литров: 50 литров: от 95 до 132 мм: контрольная вода Используйте меньше воды: 85 литров: 33 литра (50 кг цемента) 45 литров: 75 литр: от 19 мм до 265 мм: 95 литров высокопрочный бетон 30 МПа

  • как марганец выделяется из других элементов
  • оборудование для дробления бетона с бортовым поворотом bob в техасе
  • карьер сладкий карьер sdn bhd компания
  • Тихоокеанская цифровая площадь в пудуне
  • камень мраморный камень в негери сембилан
  • цены на подземный детектор драгоценных камней цены производителей
  • Китай профессиональный производитель горнодобывающий желоб питатель
  • дробилка молотковая дробилка микронный размер продукта
  • ореховая мельница в джейнсвилле, штат висконсин, дело клиента
  • использовать дробилку каолина для продажи в профиле анголы
  • разница между прочностью на сжатие прочность на раздавливание
  • дробилка полевого шпата ★
  • фонарный столб гальванизированные машины
  • фарфор подачи шлифовальный станок болгарка молотковая мельница мельница молотковая мельница
  • прайс-лист установки для дробления глинозема онлайн
  • Сулейман аль-Турки дробилка
  • мельница с мокрым шаровым покрытием
  • libros de solidworks en rapishared
  • Maquinaria Chancadora Agricultura
  • цементный завод в раджастхане
  • .