Вяжущие вещества необходимы для изготовления бетонной смеси и некоторых других материалов, твердеющих без обжига. Вяжущие вещества твердеют в результате физико-химических процессов после смешивания их с затворителем (чаще это вода) или нагревания. Сразу после смешивания вяжущего вещества с затворителем оно переходит в тестообразное состояние, а через некоторое время – в камневидное. Вяжущие вещества делят на неорганические (минеральные) и органические.

Минеральные вяжущие вещества для затворения смешивают с водой или очень редко – с водным раствором солей. Минеральные (неорганические) вяжущие вещества – это тонкоизмельченные порошкообразные материалы, при смешивании с водой образующие пластичную массу, которая обладает способностью твердеть и превращаться в камневидное тело. К этому типу вяжущих относят цемент, известь, строительный гипс, жидкое стекло и некоторые другие вещества. Минеральные вяжущие включают в себя несколько подтипов: воздушные, гидравлические и автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие после затворения водой твердеют на воздухе и способны сохранять прочность только в воздушной среде. Если на изделие с применением воздушного вяжущего будет постоянно воздействовать вода, оно постепенно разрушится. По этой причине воздушные вяжущие вещества применяют только в надземных конструкциях. К данному типу относят воздушную известь, кислотоупорный цемент, растворимое стекло, гипс и магнезиальные вяжущие.

Гидравлические вяжущие после затворения водой твердеют на воздухе, а затем могут наращивать прочность как на воздухе, так и в воде. Благодаря данному свойству гидравлические вяжущие широко применяют в подземных и подводных конструкциях. К этому типу относят портландцементы, шлаковый цемент, известково-шлаковые вяжущие, глиноземистый, расширяющийся и, пуццолановый цементы, романцемент, цемент с микронаполнителем и гидравлическую известь. Гидравлические свойства вяжущих веществ можно усилить, если смешать их с природными и искусственными материалами, которые называются добавками. Они снижают расход вяжущих веществ при изготовлении строительных конструкций и деталей, улучшают удобоукладываемость растворной и бетонной смесей, повышают морозостойкость.

Вяжущие автоклавного твердения после затворения водой интенсивно застывают при воздействии насыщенным водяным паром при определенном давлении в течение нескольких часов. При других условиях эти вяжущие не застывают или твердеют незначительно. К этому типу вяжущих относят известково-кремнеземистые, известково-нефелиновые, известково-шлаковые, известково-зольные вещества и песчанистый портландцемент.

Органические вяжущие вещества для твердения необходимо нагреть, расплавить или растворить в органической жидкости, а затем смешивать с другими компонентами изготавливаемого материала. К органическим вяжущим относят битумы, дегти, полимеры и клей животного происхождения.

Прочность – основной показатель качества вяжущих веществ. Так как прочность вяжущих веществ изменяется со временем, то качество оценивают по прочности, которая набирается за определенное время твердения в условиях, установленных стандартом (маркой вяжущего). Скорость твердения есть время, в течение которого вяжущее вещество набирает заданную прочность. Гипсовые вяжущие вещества обладают наибольшей скоростью твердения; воздушная известь – наименьшей.

Схватывание представляет собой процесс потери тестом такого свойства, как пластичность. Оно определяется началом схватывания, т. е. временем от затворения вяжущего материала водой до начала потери этим же материалом пластичности, и концом схватывания, т. е. временем от затворения до полной потери пластичности. Например, гипсовые вяжущие вещества обладают более короткими сроками схватывания – от 2 до 30 мин; портландцемент – более длительными, 10 ч. Процесс твердения сопровождается выделением теплоты, усадкой, набуханием.

В процессе возведения фундамента из всех вяжущих чаще применяют цемент. Использование других типов вяжущих ограничивается сооружением специальных конструкций или ведением надземных строительных работ. Название «цемент» объединяет в себе минеральные гидравлические вяжущие искусственного происхождения. Цемент может быть безусадочным, быстросхватывающимся, водонепроницаемым и т. д.

В зависимости от требуемой марки бетона следует использовать определенную марку цемента. Марка цемента обозначает его прочность при сжатии. По новым строительным стандартам вместо марок цемента введено понятие «класс цемента». В соответствии с ГОСТ 31108–2003 существуют 4 класса цемента по прочности: 22,5, 32,5, 42,5 и 52,5. Эти числа показывают, какую минимальную прочность набирает данный класс цемента на 28 сутки после затворения (единица измерения – МПа). Классы цемента 32,5, 42,5 и 52,5 подразделяют, кроме того, на подклассы: нормальнотвердеющий и быстротвердеющий (обозначают их соответственно буквами Н и Б). Подклассы показывают, насколько прочен цемент на 7 сутки.

На сухом и прочном грунтовом основании можно применять цементный раствор самого низкого класса. Если грунт влажный, марку следует повысить. На основании, насыщенном влагой, для приготовления бетонов и строительных растворов стоит использовать цемент наиболее высокого класса.

Существуют несколько разновидностей цемента:

• портландцемент;

• портландцемент с минеральными добавками;

• быстротвердеющий портландцемент;

• шлакопортландцемент;

• быстротвердеющий шлакопортландцемент;

• глиноземистый цемент;

• гипсоглиноземистый расширяющийся цемент;

• белый портландцемент;

• сульфатостойкий цемент;

• пуццолановый цемент;

• цветной портландцемент.

Как и другие материалы, цементы разделяются по составу, прочности при твердении, скорости твердения, срокам схватывания, специальным свойствам. Мы рассмотрим почти все существующие цементы для того, чтобы в дальнейшем сделать правильный выбор и приобрести тот цемент, который в данном случае необходим.

В настоящее время в строительстве из всех цементов наиболее широко используют портландцемент (обозначение – ЦЕМ I) или портландцемент с минеральными добавками (обозначение – ЦЕМ II). Портландцемент – это гидравлическое вяжущее из тонкомолотого клинкера и гипса, причем гипс составляет не более 3,5 % общей массы. При помоле в клинкер вводят минеральные добавки (для второго типа портландцемента). Портландцемент с минеральными добавками делится на 2 подтипа по количеству добавок в нем. В качестве добавок применяют гранулированный шлак (обозначается буквой Ш), пуццолану (обозначается буквой П), а также их смеси (трепел, опоку), которые обозначаются буквой К (композиция шлака и пуццоланы).

Клинкер представляет собой гранулированное вещество, получаемое в процессе производства цемента в промежуточной стадии. Это вещество образуется после частичного плавления извести с глиной или других подобных материалов при очень высокой температуре. Затем гранулированный клинкер смешивают с небольшим количеством гипса (или другой формы сульфата кальция) и тщательно измельчают.

Основные вяжущие вещества, которые применяют для строительных работ, – портландцемент и его разновидности. Главными техническими свойствами портландцемента являются средняя и насыпная плотность, сроки схватывания, тонкость помола, равномерность изменения объема при твердении, а также прочность затвердевшего цементного камня.

Средняя плотность портландцемента – 2,9–3,2 г/см³; насыпная плотность в рыхлом состоянии – 900–1100 кг/м³; в уплотненном состоянии – до 1700 кг/м³.

Тонкость помола портландцемента определяется степенью измельчения цемента, а также его удельной поверхностью. Сроки схватывания при температуре 20 °C от момента затворения портландцемента должны быть: начало – не ранее 45 мин, окончание – не позднее 10 ч. При затворении цемента горячей водой может произойти быстрое схватывание.

Твердение сопровождается выделением теплоты. При применении портландцемента для приготовления бетона смесь может разогреться до температуры 80 °C, что способствует образованию трещин в конструкции. Во избежание растрескивания забетонированную поверхность в солнечную и жаркую погоду накрывают влажными опилками или поливают водой через определенный интервал. При твердении цементное тесто может изменяться в объеме: усадка на воздухе – 0,5–1 мм/м; набухание в воде – до 0,5 мм/м. При твердении изменение объема должно быть равномерным. Этот вид цемента чаще используют в строительном производстве.

Путем измельчения портландцементного клинкера, гипса, а также минеральных добавок получают портландцемент с минеральными добавками. В качестве добавок в данном случае могут служить гранулированные доменные шлаки, в количестве около 20 % от массы цемента, а также 25 % активных минеральных добавок осадочного происхождения. При помоле пластифицирующие добавки тонким слоем покрывают зерна цемента. Схватывание цемента происходит замедленно. В ранние сроки твердения замедляется набор прочности. Быстротвердеющий цемент представляет собой портландцемент с минеральными добавками, которые отличаются повышенной прочностью через 3 суток твердения. Данный вид цемента можно использовать при устройстве фундаментов под жилые дома в 1–2 этажа и дачи, так как он достаточно быстро твердеет.

Путем же совместного помола портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака, гипса, которые вводят для регулирования сроков схватывания, изготавливают так называемый шлакопортландцемент. Этот вид цемента применяют реже. Быстротвердеющий шлакопортландцемент отличается повышенной прочностью через 3 суток твердения.

Глиноземистый цемент представляет собой помол сплава, который получают из сырья, состоящего из известняка и пород, богатых глиноземом. Твердение глиноземистого цемента сопровождается интенсивным выделением теплоты. Применяют в индивидуальном строительстве.

Гипсоглиноземистый расширяющий цемент получают путем смешивания тонкоизмельченных высокоглиноземистых доменных шлаков и природного двуводного гипса. Схватывание начинается не ранее, чем через 10 мин, конец схватывания – не позднее 4 ч от начала затворения. Предел прочности при сжатии образцов через 3 суток – не менее 28 МПа.

Путем измельчения белого маложелезистого клинкера, минеральных добавок, а также гипса получают белый портландцемент. Он выпускается двух видов: белый портландцемент и белый портландцемент с минеральными добавками. По степени белизны белый портландцемент делят на три сорта: первый сорт – 80 %, второй – 75 %, третий – 68 %. Схватывание белого портландцемента наступает через 45 мин, конец схватывания – не позднее 12 ч после затворения.

Сульфатостойкие цементы делят на четыре вида по вещественному составу: это сульфатостойкий портландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент. При затворении и твердении они образуют цементный камень, устойчивый к агрессивному действию сульфатной среды. Продукт, получаемый путем измельчения портландцементного клинкера и нормированного минералогического состава гипса, который, в свою очередь, добавляют для регулирования сроков схватывания, и есть сульфатостойкий портландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками – продукт, получаемый путем измельчения портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, активных минеральных добавок, а также гипса.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент – продукт, получаемый путем измельчения портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, шлака нормированного химического состава, а также гипса. Эти виды цементов считаются специализированными, так как обладают повышенной стойкостью.

Пуццолановый портландцемент – продукт, получаемый путем измельчения портландцементного клинкера нормированного минералогического состава, активных минеральных добавок осадочного происхождения. Этот цемент быстро набирает прочность лишь при твердении во влажных условиях, в воде или при тепловлажностной обработке. Пуццолановый портландцемент наиболее водонепроницаемый, отличается пониженной морозостойкостью. Схватывание наступает не ранее 45 мин, конец схватывания – не позднее 10 ч от начала затворения.

Цветной портландцемент изготавливают путем совместного тонкого измельчения белого и цветного портландцементного клинкера, минеральных и органических красителей, гипса, а также минеральной добавки. Их применяют для изготовления цветных бетонов и растворов, отделочных смесей и цементных красок. Цветовая гамма разнообразна. Схватывание начинается не ранее 45 мин, конец схватывания – не позднее 12 ч от начала затворения.

Цементы транспортируют без упаковки в специализированном транспорте либо в пяти-шестислойных бумажных мешках на универсальных транспортных средствах. Белый и цветной цементы транспортируют только в бумажных пакетах. Цементы необходимо защищать от проникновения влаги и загрязнения посторонними примесями. Хранить их можно без упаковки в инвентарных металлических ящиках, разделяя по маркам, видам; в упаковке – в крытых сухих помещениях.

Добавки, применяемые в портландцементах, разделяют на несколько типов. Активные минеральные добавки обладают гидравлическим или пуццолановым эффектом и позволяют цементу набирать прочность во влажной среде. Наполнители улучшают структуру цемента. И еще один тип добавок регулирует некоторые специальные свойства вяжущего. Добавки могут представлять собой органические или неорганические (минеральные) вещества искусственного или естественного происхождения, а также их смеси. Эти вещества добавляют в клинкер при его измельчении или в бетонную смесь при ее приготовлении (в зависимости от свойств добавки для каждого типа веществ есть свои рекомендации по времени введения в цемент).

В процессе выполнения строительных работ применяют также известь. Ее получают обжигом магнезиальных карбонатных и кальциевых пород. Если допустить пережог или недожог извести, то она потеряет свое качество.

Строительную известь подразделяют на гидравлическую и воздушную. Гидравлическая известь обладает способностью обеспечивать твердение растворов на воздухе и в воде.

В свою очередь, воздушная известь характеризуется твердением только на воздухе.

Известь делят по фракционному составу на порошкообразную и комовую. Воздушная известь может быть гашеной и негашеной. Как правило, негашеную известь в чистом виде не применяют. Для того чтобы получить гашеную известь, ее затворяют водой. Происходят определенная химическая реакция, выделение большого количества теплоты и парообразование – это можно видеть по пузырькам и шипению. Гашение извести проходит не за одинаковое время, поэтому ее делят на быстрогасящуюся – около 8 мин; среднегасящуюся – около 25 мин; медленногасящуюся – 25 мин и более. Затворяют водой известь тоже поразному. В зависимости от количества добавленной воды получают известь-пушонку, известковое тесто, известковое молоко. При затворении водой извести она по объему увеличивается в 3 раза.

Хранят и транспортируют известь отдельно в зависимости от сорта.

Гипсовые вяжущие обладают способностью быстро схватываться и твердеть. Путем обжига и помола осадочных пород и получают эти вяжущие материалы. Учитывая температуру тепловой обработки сырья, гипсовые вяжущие можно подразделить на две группы: низкообжиговые (строительный формовочный и высокопрочный гипс) и высокообжиговые (ангидритовый цемент). Деление на группы, как уже говорилось, зависит от температуры тепловой обработки. Различают 12 марок гипсовых вяжущих по пределу прочности при сжатии. Марку вяжущего обозначают буквой «Г» со значком «п». Гипсовые вяжущие делят на быстротвердеющие, их обозначают «А» (от 2 до 15 мин), нормально твердеющие обозначают «Б» (от 6 до 30 мин), медленнотвердеющие обозначают «В» (от 20 мин и более).

Вяжущие различают по степени помола: грубый – 1 класс, средний – 2 класс, тонкий – 3 класс.

Чтобы увеличить прочность известково-песчаных растворов и ускорить срок схватывания, в них добавляют гипсовые вяжущие. Они придают поверхности белизну и гладкость. Гипсовые вяжущие используют также для добавок в мастики. Они затворяются не только водой, но и дисперсиями полимеров и называются полимергипсом. Этот материал обладает высокой механической прочностью, постоянством объема, малой водопроницаемостью, повышенным сопротивлением к истиранию.

Гипсовые вяжущие упаковывают в тару и транспортируют в закрытых вагонах или автомашинах. Хранят в помещениях, защищенных от влаги. Активность гипсовых вяжущих может снизиться от длительного хранения.

Глина – природный материал, представляющий собой осадочную горную породу. Она бывает жирной, средней жирности, тощей. Зависит это от содержания в ней песка. Глина во влажном состоянии обладает качествами пластичного материала, легко принимает заданную ей форму и сохраняет ее после испарения влаги. Как правило, глину применяют в качестве вяжущего для приготовления штукатурных и печных растворов.

Кроме неорганических, применяют органические вяжущие и материалы на их основе. К таким материалам относятся битумные вяжущие. Это сложные смеси углеводородов и их неметаллических производных (соединения с серой, азотом, кислородом). Они могут быть природного и искусственного происхождения, а зависит это от исходного сырья.

Природные битумы представляют собой твердые вещества или вязкие жидкости – от темно-коричневого до черного цвета. Их получают из асфальтовых горных пород путем затворения органическими растворителями или вываривания в горячей воде.

Искусственные битумы – это остатки, которые возникают при переработке нефти. По способу получения их разделяют на окисленные и остаточные.

В зависимости от вязкости нефтяные битумы делят на твердые, полутвердые, жидкие. В свою очередь, твердые и полутвердые нефтяные битумы подразделяют на строительные, дорожные, кровельные. Их применяют для изготовления гидроизоляционных и кровельных рулонных материалов, устройства дорожных покрытий, приготовления битумных мастик, лаков. Жидкие используют лишь для устройства дорожных покрытий.

Качество нефтяных битумов определяют по их основным свойствам, таким как вязкость, температура размягчения и вспышки, растяжимость, и делят на марки.

Вязкость измеряют пенетрометром по глубине проникания в битум иглы под нагрузкой. Чем глубина проникания больше, тем меньше вязкость битума.

Температуру размягчения битума можно определить на приборе по методу «кольцо и шар», она характеризует пригодность битума для применения при различных температурных условиях.

Следующее свойство – температура вспышки. Оно имеет значение для установления технологических параметров при работе с битумом и измеряется специальными приборами. За температуру вспышки принимают такую, которую показывает термометр при первом появлении синего пламени над частью или всей поверхностью образца битума.

Растяжимость битума можно определить путем растяжения образца на дактилометре. Показателем растяжимости битума является длина вытянутого образца в момент его разрыва (измеряется в сантиметрах).

Кровельные нефтяные битумы выпускают марок БНК-45/180 – это пропиточный битум; БНК-90/40, БНК-90/30 – это покровные битумы. Их температура вспышки – 240 °C, температура самовоспламенения – 300 °C.

Строительные нефтяные битумы выпускают марок БН-50/50, БН-70/30, БН-90/10. Их температура вспышки – 220–240 °C, температура самовоспламенения – 368 °C.

Битумы транспортируют в бочках, фанерной, деревянной таре, бумажных мешках, в виде отформованных плит, а также в железнодорожных цистернах, которые оборудованы подогревательными устройствами. Эти материалы горючи, в связи с чем их необходимо хранить в специальных закрытых складах, в крайнем случае под навесом, не допуская солнечных лучей, воздействия атмосферных осадков. Причем места хранения должны быть оборудованы огнетушителями, песком – одним словом, всеми средствами пожарной безопасности.

Гидроизоляционные – это материалы, применяемые для защиты конструктивных элементов зданий и сооружений от воздействия атмосферных осадков, грунтовых вод. Они обладают водонепроницаемостью, водо– и химиостойкостью. Их подразделяют на мастичные и рулонные гидроизоляционные материалы.

Мастики представляют собой пластичные вещества, которые получают путем смешивания органических вяжущих веществ с наполнителями и пластификаторами. Их применяют для создания слоя гидроизоляции на изолируемой поверхности, для приклеивания рулонных материалов к основанию.

Многокомпонентная однородная масса, которая состоит из резинобитумного вяжущего, наполнителя, пластификатора, а также антисептика, и есть мастика «Изол». Ее выпускают без растворителя, «горячую», марок МРБ-Г-Т10, МРБГ-Т15. Эту мастику применяют в качестве обмазочной и окрасочной гидроизоляции строительных конструкций, а также для приклеивания рулонных материалов. Перед применением горячую мастику разогревают до 200 °C в специальных котлах в течение 4 ч, постоянно помешивая. Время использования приготовленной мастики составляет от 1 до 2 ч.

«Холодную» мастику марок МРБ-Х-Т10, МРБХ-Т15 с растворителем можно применять без предварительного разогрева для гидроизоляции строительных конструкций, устройства мастичных кровель, окрашивания рулонных кровель.

Мастики на основе эпоксидных смол – это материалы, обладающие высокой прочностью, поэтому их используют на ответственных сооружениях.

Многокомпонентная однородная масса, которая состоит из нефтяного битума, наполнителя, пластификатора, и есть битумно-резиновая изоляционная мастика. В качестве наполнителя используют резиновую крошку. Ее выпускают следующих марок: МБР-65, МБР-75, МБР-90, МБР-100.

Рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы подразделяют на группы.

1. По структуре:

• основные;

• безосновные материалы.

2. По виду основы:

• на базе картона (рубероид, пергамин, толь);

• на основе стекловолокна (армогидробутил, стеклорубероид);

• на основе фольги (фольгорубероид, фольгоизол);

• безосновные (гидробутил, изол).

3. По виду вяжущего материала:

• битумные (вяжущим служит битум);

• дегтевые (вяжущим служит деготь);

• полимерные (связующим является полимер);

• дегтебитумные, резинобитумные, битумно-полимерные (вяжущими являются компоненты, от которых они получили названия).

4. По виду защитного слоя:

• с посыпкой, которая может быть чешуйчатой, крупнозернистой, мелкозернистой, пылевидной;

• с фольгой, с кислото-, щелоче-, озоностойким покрытием.

Герметизирующие – это материалы, которые применяют для уплотнения стыков в наружных стенах, для воздухо-, гидро-, теплоизоляции.