Следует отметить, что воздушные вяжущие вещества человеку были известны с давних времен. Так, египтяне 3 000 лет до н. э. для склеивания больших камней при строительстве пирамид использовали гипсовые и известковые растворы. На Руси применение извести известно еще с древних времен: при строительстве Десятинной церкви в Киеве в 991 г. использовались известковые растворы.
Считается, что гипс стали применять раньше, чем известь. Это объясняется технологией их изготовления. Действительно, технологический процесс изготовления таких искусственных материалов, какими являются строительные вяжущие вещества, складывается из двух основных операций - обжига горной породы и измельчения обожженного продукта. Как первая, так и вторая операция сами по себе являются довольно сложными, причем эта сложность возрастает с повышением требуемой температуры обжига и тонкости измельчения вяжущих.
Гипс, как известно, можно получить обжигом гипсового камня при низких температурах порядка 100-170 °С. Притом обожженный продукт легко можно размельчить: после обжига гипсовый камень бывает таким, что его можно растереть пальцами. Для ряда гипсосодержащих пород требуется настолько низкая температура обжига, что процесс этот может совершаться в природных условиях под действием солнечной радиации. Одним из таких мест является месторождение близ древнеегипетского города Алебастрон, по имени которого до недавнего времени строительный гипс назывался алебастром.
Известь требуется обжигать при более высокой температуре порядка 1 000 °С, однако достичь ее можно было применяя обжиг в кучах или на кострах, т. е. в примитивных «тепловых аппаратах». Обожженные куски известняка не требовали помола, а затворенные водой давали пластичное тесто, способное склеивать отдельные камни в прочный монолит.
Открытие извести вызвало в то время поистине техническую революцию в строительстве. Известь и до сих пор является одним из основных вяжущих. Но появившаяся с развитием культуры потребность возведения сооружений в сырых местах и под водой послужила поводом к отысканию вяжущих, которые могли бы твердеть под водой, т. е. гидравлических вяжущих.
Из истории известно, что получение гидравлических растворов было известно еще древним римлянам, как об этом свидетельствуют их историки Плиний и Сенека. Они указывают, что для придания известковым растворам способности твердеть под водой римляне добавляли к ним кирпичный порошок или порошок особого вулканического пепла, который они добывали близ города Пуццоли и в окрестностях Рима.
В течение длинного ряда столетий толченая кирпичная мука и пуццоланы (так называли вулканический пепел) были почти единственными известными средствами для получения гидравлических растворов: они так и назывались, да и теперь называются, гидравлическими или пуццолановыми добавками. Правда, с течением времени были найдены и другие материалы, обладающие свойствами пуццолан, как, например, «трасс» - вулканическая земля с Рейна, открытая в 1682 г. голландцем Ван-Зангеном, и затем так называемая «санторинская земля» с острова Санторина, но последние далеко не могли удовлетворять всё возрастающему спросу на гидравлические вяжущие вещества. Техника гидравлических строительных растворов стояла в течение ряда веков на точке замерзания, и «пуццоланы» часто доставлялись в отдельные от места нахождения страны, несмотря на значительные расходы по перевозке. Причина такого положения вещей заключалась в том, что строителям не были известны как состав пуццолан, так и сущность их гидравлического действия на известковое тесто. Здесь техника ждала толчка от научной идеи, от научного открытия, и первым, осветившим вопрос о причинах образования гидравлических растворов, были знаменитый французский инженер Вик и профессор мюнхенского университета Фукс. Фукс установил, что пуццоланы содержат в своем составе активный кремнезем, который, взаимодействуя с известью, образует силикаты кальция типа
Са(ОН)2 + SiО2 = CaO·SiО2·H2О.
Независимо от профессора Фукса Вик произвел большое количество исследований над глинами и установил, что почти все глины после надлежащего обжига приобретают свойства пуццолан. А так как глины находятся повсеместно, то, казалось, что изготовление подобных «пуццолановых цементов» должно было получить преобладающее значение в практике строительного дела. Однако прогресс цементной техники пошел по другому пути - вследствие случайных открытий нескольких англичан-практиков.
В середине XVIII в. известный английский инженер-строитель Смитон при строительстве Эдистонского маяка для получения извести использовал известняки с близлежащих карьеров. Известняки имели в своем составе большое количество примесей глины, и считалось, что они не пригодны для получения воздушной жирной извести. Смитон с целью экономии все же обжигал эти известняки и получал известь, которая, хотя и слабо, гасилась, но обладала вяжущими свойствами. Однако Смитон заметил в этом вяжущем важное свойство - твердеть в воде. Так была впервые открыта гидравлическая известь.
Для ее получения, как было установлено позднее, используются известняки, содержащие от 6 до 20 % глины. Температура обжига гидравлической извести практически колеблется в пределах от 800-900 до 1 100 °С. Производить обжиг выше указанной температуры не рекомендуется, т. к. получаемый продукт в значительной мере утрачивает способность к гашению.
Гидравлические свойства извести придают образовавшиеся при обжиге соединения низкоосновных силикатов, ферритов и алюминатов (2CaO·SiO2; 2СаО·Fe2О3; СаО·А12О3), т. н. искусственные минералы.
Гидравлическая известь в настоящее время выпускается в виде негашеной, молотой и гашеной в порошок. В зависимости от скорости твердения и от достигаемой механической прочности гидравлическая известь делится на слабогидравлическую и сильногидравлическую. Степень гидравличности извести устанавливается по величине гидравлического (основного) модуля Мо, выражающего собой отношение в извести оксидов СаО к сумме кислотных оксидов:
Мо = % СаО / % (А12О3 + SiО2 + Fe2O3).
Величина гидравлического модуля гидравлической извести находится в пределах 1,7-9,0. При этом известь с модулем 1,7-4,5 относится к сильногидравлической, а при Мо, равном 4,5-9,0, - к слабогидравлической. При
величине модуля более 9 известь практически уже не имеет гидравлических свойств и относится к воздушной.
Прочность гидравлической извести характеризуется показателем Rсж, достигающим в 28-суточном возрасте 50 кг/см2.
Основное применение в настоящее время гидравлическая известь находит при изготовлении растворов для кладки и штукатурки в сухих и влажных эксплуатационных условиях. Следует также отметить, что в настоящее время гидравлическая известь - по сравнению с современными вяжущими - имеет местное значение, однако в те годы, когда была открыта, она получила широкое признание.
В 1796 г. англичанин Паркер, намереваясь получить гидравлическую известь из «глинистых почек» острова Шеппи, в устье Темзы обнаружил, что полученный продукт совершенно не гасится водой, но при измельчении его в тонкий порошок быстро схватывается и твердеет. Впоследствии Вик установил, что «глинистые почки» есть не что иное, как мергель, т. е. известняк, сильно засоренный глиной. Паркером был приобретен патент на открытый им материал, который он назвал романцементом, что в переводе на русский язык означает «римский цемент».
Романцемент - это продукт тонкого измельчения умеренно обожженных - не до спекания — известковых или магнезиальных мергелей. Для производства этого вяжущего может использоваться искусственная смесь известняка и глины. В современном производстве романцемента при измельчении допускается добавка к романцементу 5 % гипса для регулирования сроков схватывания, а также до 15 % (по весу) гидравлических добавок с целью улучшения водостойкости цемента (или по экономическим соображениям).
Для производства романцемента наиболее применимы мергели, в которых содержание глинистых примесей составляет 25—30 %.
Температура обжига сырьевой смеси достигает порядка 1 200 °С. Гидравлический модуль романцемента обычно находится в пределах 1,1-1,7.
В обожженном продукте вся свободная известь связана в соединения силикатов, алюминатов и ферритов, обеспечивающих гидравлическое твердение вяжущего. Именно отсутствие свободной извести и более высокое содержание в романцементе гидравлических соединений существенно отличает его от гидравлической извести: романцемент не способен гаситься, а растворы и бетоны из него получаются более прочные и водостойкие. По существующим у нас нормативам на романцемент по пределу прочности его разделяют на три марки: 25, 50 и 100. Основное применение в настоящее время он находит для приготовления бетонов, кладочных и штукатурных растворов надземных и подземных конструкций с малыми напряжениями, другими словами, он, как и гидравлическая известь, является местным материалом. Однако в момент его открытия и вплоть до половины XIX в. романцемент являлся основным видом гидравлического вяжущего вещества при возведении наиболее ответственных гидротехнических сооружений. В связи с тем, что глинистые известняки почти повсеместно распространены в природе, казалось, что и романцементы должны были получить преобладающее значение в строительной технике. Тем не менее, практика не оправдала этих ожиданий.
В настоящее время преобладающее значение имеет другой вид гидравлических веществ, а именно так называемые портландцементы, получаемые сильным обжигом до спекания искусственно составленных смесей глины и известняка.
Романцементы уступили пальму первенства портландцементам главным образом по трем причинам.
Во-первых, встречаемые в природе глинистые известняки содержат в своем составе чрезвычайно разное соотношение СаСО3 и глины, а потому затрудняется получение из них романцементов однородного состава и свойств.
Во-вторых, причина сравнительно небольшого распространения романцементов состоит в том, что известняки с выгодной пропорцией глины и СаСОз, необходимой для вяжущего этого типа, встречаются редко.
В-третьих, невысокая марочная прочность романцементов, которая не могла удовлетворять требования строителей-практиков.
В 1812 г. инженеру Вику удалось в лабораторных условиях получить искусственный цемент из составленных смесей известняка и глины, который явился прообразом настоящего портландцемента. Однако Вику не посчастливилось практически осуществить свою идею получения искусственного цемента. Это, как считалось ранее, удалось сделать Аспдину.
