Классификация вяжущих веществ и физико-химические основы их твердения
Минеральные вяжущие вещества представляют собой порошкообразные продукты, обычно сложного состава, которые при смешивании с водой, а в некоторых случаях с водными растворами солей дают пластическую массу (тесто), превращающуюся через некоторое время в твердое тело — искусственный камень. Это свойство позволяет применять их в качестве связующих в строительном деле. Твердение вяжущих веществ связано с протеканием физико-химических процессов, которые приводят к образованию новых веществ и новой структуры.
Существующие классификации вяжущих веществ учитывают способ их производства, область применения и иногда химический состав. На основе важнейшего свойства вяжущих веществ — затвердевания — все они делятся на две группы: гидравлические и воздушные.
Гидравлические вяжущие вещества после смешивания с водой способны твердеть и сохранять свою прочность как на воздухе, так и в воде. К этим веществам относится силикатный и другие сорта цемента, а также гидравлическая известь.
Воздушные вяжущие вещества способны твердеть только на воздухе. К ним относятся так называемая воздушная известь, гипс, магнезиальный цемент.
Наиболее простыми по составу вяжущими веществами являются различные сорта извести.
Воздушная известь представляет собой гашеную известь с примесью небольшого количества глины (не более 8%).
При твердении этой извести в кирпичной кладке происходит перекристаллизация Са(ОН)2, вследствие чего образуются тесно переплетенные сростки кристаллов гидрата окиси кальция. Присутствующие в извести составные части глины вступают в реакцию с гидратом окиси кальция и дают силикаты и алюминаты. Кроме того, под влиянием углекислого газа воздуха происходит постепенная карбонизация извести:
Ca(0H)o-f-C02=CaC03-|-Ho0.
Этот процесс протекает очень медленно, в течение столетий. В последние годы в строительном деле стала широко применяться негашеная молотая известь.
Известь, содержащая более 7% окиси магния, называется магнезиальной. Гасится такая известь более медленно, но механические свойства ее несколько выше. Наряду с обычной воздушной известью она применяется для изготовления штукатурки.
Гидравлическая известь содержит значительное количество глины (от 8 до 30%) и при ее твердении наряду с перекристаллизацией гидрата окиси кальция происходит образование различных частично гидратированных силикатов и алюмосиликатов кальция. Образование этих соединений ускоряется в присутствии влаги.
Широкое применение в строительном деле нашли гипсовые вяжущие вещества. Строительный гипс получается обжигом CaS04 2Н20 при 120—200°. Полученный полуводный гидрат CaSO£* 0,5Н20 после размола применяется для производства строительных деталей, а в смеси с известью — для штукатурных работ.
Твердение гипса связано с присоединением воды к полуводному гидрату. Оно сопровождается увеличением объема на 1 %. Вяжущее вещество, получаемое обжигом CaS04 • 2Н20 при 900—1100°, называемое высокообжиговым гипсом, имеет состав (СаО) (CaS04). Твердение его растворов с водой происходит как за счет гидратации окиси кальция, так и за счет частичной гидратации сульфата. Его применяют для изготовления искусственного мрамора, бесшовных полов и различных строительных деталей.
Одним из важнейших гидравлических вяжущих веществ являются различные сорта цемента. На основании химического состава и характера процесса твердения различают портландцемент и глиноземистый цемент, романцемент, пуццолановый и другие виды цемента.
Портландцемент называется также силикатным, так как в его составе преобладают силикаты. Он состоит из 40—65% трех кальциевого силиката ЗСО • SO, 20—40% двухкальциевого силиката — 2СаО • Si02, а также трех кальциевого алюмината — ЗСаО  А1203, четырехкальциевого алюмоферрита — 4СаО • А1203 X X Fe203, окиси магния и небольшого количества сульфата кальция и остеклованных силикатов. Изучение взаимодействия этих веществ с водой показало, что некоторые из них подвергаются гидролизу, а другие — гидратируются.
При твердении портландцемента происходит кристаллизация получающихся веществ и сростки кристаллов тесно переплетаются, образуя твердую массу. Этот процесс, так называемое схватывание портландцемента, наступает через 45 мин. и в основном заканчивается через 12 час. Однако и после этого времени прочность цемента постепенно увеличивается.
Изучение качества этого цемента в зависимости от его состава показало, что между количеством основных окислов (главным образом СаО) и кислотных (главным образом Si02 + А1203) должно быть определенное соотношение. В большинстве случаев это соотношение, называемое модулем основности, колеблется около двух. С учетом химических реакций твердения состав портландцементов характеризуют коэффициентом насыщения, представляющим собой отношение количества СаО, остающейся после образования трех кальциевого алюмината и четырех кальциевого алюмоферрита, к тому теоретическому количеству ее, которое необходимо для насыщения всего кремнезема до трех кальциевого силиката (см. выше). Обычно он равен 0,80—0,95.
Соотношение отдельных компонентов в портландцементе можно менять в широких пределах и в зависимости от этого, а также от наличия соответствующих добавок изменять скорость твердения цемента и физико-химические свойства полученного продукта.
К портландцементу близки по свойствам глиноземистый цемент и романцемент.
Глиноземистый цемент в отличие от силикатного содержит в своем составе главным образом алюминаты кальция. Он содержит около 40% окиси алюминия, 40% окиси кальция, до 10% двуокиси кремния, а также окислы железа и других металлов. Основным веществом, входящим в его состав, является метаалюминат кальция Са(А102)2. Получают глиноземистый цемент обжигом природных материалов, богатых глиноземом, например бокситов, в смеси с известью или известняком. Этот цемент является быстро твердеющим: уже через 3 дня его прочность равна прочности портландцемента 28-дневной давности. Твердение глиноземистого цемента обусловлено протеканием процессов гидратации и гидролиза:
2Са( А10л)2-}~ 10 НаО==2СаО • А120;,  7HaO-j- 2А1(ОН)3.
Бетон, изготовленный на основе глиноземистого цемента, обладает высокой водонепроницаемостью и устойчивостью к морской воде и к растворам солей. При твердении этого цемента выделяется значительное количество тепла, что позволяет использовать его для зимних работ; но стоимость его значительно больше, чем портландцемента.
Романцемент содержит в своем составе главным образом силикаты и алюминаты кальция. Получают его обжигом известняков, содержащих значительное количество глинистых веществ. Если для приготовления романцемента берется мергель, то в его составе будет содержаться значительное количество соединений магния.
Своеобразную группу цементов составляют шлаковые цементы. Быстро охлажденный доменный шлак содержит остеклованные, аморфные силикаты, которые в размолотом виде в присутствии воды способны твердеть. Сцепление частичек этого шлака обусловлено протеканием различных реакций гидролиза и гидратации. Это твердение идет очень медленно, но его можно ускорить, добавляя к шлакам различные вещества, например сульфат кальция, известь и портландцемент.
В настоящее время разработано значительное число различных видов цемента.