П’ять чудесних перетворень
У цьому горнилі всесвіту, У цьому змішанні всіх сил і речовин.
Спробуємо простежити основний шлях перетворення білого чистого вапняку на міцний та щільний камінь із сучасних наукових позицій.
Якщо обпалювати шматки вапняку здобутого в кар'єрі на сильному вогні, то з каменю в міру підйому температури будуть послідовно виділятися вода і вуглекислий газ з утворенням Вуглекислоти. При температурі близько 900° З вапняку виділяється безводний продукт оксиду кальцію, тобто білі шматки негашеного вапна. Це перше перетворення вапняку.
Слід дуже обережно поводитися з цим білим камінням, тому що негашене вапно здатне роз'їдати руки, одяг, °Ув. Вона з'їдає все, як сірчана кислота. Якщо ж на купу
Каміння вапна вилити відро води, вапно зашипить, закипить здувається і над нею підніметься густа біла пара. Білий шматок вапна швидко перетворюються на дрібний порошок. За хвилину кипіння припиниться. Вапно з негашеної перетворилося на гашену, а отриманий порошок — на так звану «пушонку».
Пушонка - сухий на дотик порошок. Вилита на негашене вапно вода хімічно з'єдналася з нею. Сталося друге перетворення вапняку.
Змішаємо ще раз пушонку із водою. Кипіти, тобто гаситися, вона вже не буде, а просто перетвориться на тісто з технічною назвою гідроксиду кальцію. Чим більше додавати до нього води, тим рідкішим стає вапняне тісто. Якщо це тісто щільно закрити зверху грунтом, воно не затвердіє десятки років і при цьому ще стане дуже пластичним, на кшталт вершкового масла. Якщо ж тісто залишити на повітрі, воно скоро покриється твердою скоринкою і поступово скам'яніє. Рідке тісто – третє перетворення вапняку. Це майже готовий клей. Слово «майже» означає, щотаким тестом не можна добре склеїти цеглу або каміння, так як чисте вапняне тісто швидко розсохнеться і розтріскається. Щоб цього не сталося, потрібно тісто змішати з піском. Така суміш називатиметься вапняним розчином, а процес переходу розчинної суміші в твердий камінь - четверте і одночасно п'яте перетворення вапняку. Це найбільш важливий і складний етап при твердінні вапна.
Перехід вапняного розчину або бетону в камінь-вапняк або карбонат кальцію відомий як карбонатне твердіння вапняних речовин. При звичайній температурі він складається з двох процесів, що одночасно протікають: випаровування вільної води з вапняного тесту (четверте перетворення), з поступовим утворенням кристалічного каркасу з гідроксиду кальцію (п'яте перетворення).
Процес кристалізації гідроксиду кальцію протікає дуже повільно. Випаровування води викликає поступове злипання його дрібних частинок у більші та їх кристалізацію. Кристали, що ростуть, зростаються між собою, утворюючи вапняний каркас, який оточує частинки піску.
Ці два процеси протікають майже одночасно і проходять досить інтенсивно тільки в присутності вологи і вуглекислого газу.
Плівка вуглекислого кальцію, що утворюється в перший період твердіння розчину на його поверхні, ускладнює влучення вуглекислоти у внутрішні шари гідроксиду кальцію. В результаті процес карбонізації майже зупиняється, і твердіння каменю йде, головним чином за рахунок кристалізації, при якій необхідна знижена вологість та позитивна температура.
В результаті утворення слабких кристалічних зростків міцність розчину на повітряному вапні виходить дуже незначною і до 28 діб твердіння становить в середньому 0,5МПа. Крім цього отримане з'єднання не стійке до води та морозу. Правда, згодом в результаті процесу карбонізації, що протікає, міцність такого розчину і бетону збільшується в 5-7 разів і більше, але сам процес протікає дуже повільно - протягом десятків і сотень років.
Очевидно, що римлян з їх інтенсивним будівництвом не влаштовувала не лише низька міцність бетонів і розчинів на повітряному вапні, але й те, що вони тверділи тільки на повітрі і не могли твердіти в умовах вологого середовища. Потреби в гідравлічних в'яжучих речовинах підштовхнули античних будівельників до виявлення принципово нових добавок для бетонів і розчинів, за допомогою яких можна було позбавитися перерахованих недоліків.
Сьогодні ми добре знаємо, що для того, щоб покращити якість бетонів і розчинів на повітряному вапні, треба слабкий і розчинний у воді гідроксид кальцію (вапняне тісто) перевести в більш стійке і нерозривне з'єднання, наприклад, гідросилікат кальцію. Для цього необхідно додати до нього активний кремнезем. Реакція у разі йде лише у присутності води, хоча отримане нове з'єднання — гидросиликат кальцію — майже розчиняється у питній воді. Активний кремнезем на відміну від пасивного - звичайного кварцового піску, отримав назву гідравлічної добавки за свою здатність твердіти і набирати міцність не тільки на повітрі, але і у воді.
Римляни, звичайно, не підозрювали про складні процеси, що відбуваються при змішуванні повітряного вапна з гідравлічною добавкою, але, використовуючи досвід етрусків і греків, вони добре знали, що якщо до вапняного тесту додати не просто звичайний пісок і каміння, а цегляний пісок і цегляні , то таке з'єднання буде здатне твердіти у воді, а отриманий при цьомуштучний камінь виявиться набагато міцнішим, ніж бетон або розчин на одній повітряній вапні зі звичайним піском і галькою. Згодом цегляну чи черепичну добавку стали називати цемянкою.
Зазвичай цемянку застосовували у вигляді тонкомолотого порошку або пилу для водонепроникних штукатурок, бетонних підлог та подібних покриттів, головним чином у сирих місцях. Крім цього, її використовували у вигляді борошна у штукатурках водопровідних каналів, давильних майданчиків для вина та резервуарів вино – Делен, рибозасолювальних ванн, а також для захисту бетонних споруд від зносу та руйнування.
Крім цемянок, тобто штучних гідравлічних добавок, римляни широко застосовували природні добавки вулканічного походження. Їм навіть приписували честь відкриття цих
Добавок, точніше, їх дії на повітряне вапно, оскільки вулканічні камені використовувалися у будівельній практиці дуже давно.
Вітрувій у кн. II, гол. 6 описує ці добавки наступним чином: ■. існує певний порошок природного походження - i ходіння, використовуючи який можна досягти чудового результату. Його знаходять у Байях та в землях, навколо Везувію. Ця речовина при змішуванні з вапном і каменем не тільки надає міцності споруді, але навіть при влаштуванні гребель у відкритому морі міцно схоплюється під водою».
До таких добавок належали: санторинська земля, що видобувається на грецькому острові Тір, рейнський трас, розташований на території Німеччини, і туфф, що залягає потужними пластами майже по всій Італії. До них також належали багато інших гірських пород вулканічного походження, що отримали загальну назву пуццолани.
Особливо широке застосування отримали такі добавки, що залягали в районі стародавніх Путеол (суч. Поццуолі). Однак назва свояПуццолана, що стало родовим для всіх гідравлічних добавок вулканічного походження, вони отримали не тому, а тому, що широко використовувалися в будівництві дуже важливого для стародавньої Італії порту в Путеолах, який був до того ж довго центром торгівлі пуцоланою. Вперше термін «pulvis puteolanus» зустрічається у філософа Сенеки (4 р. до н. е.— 65 р. н. е.) у його праці «Природно-наукові питання», і згадується Плінієм Старшим.
Однією з перших споруд, при будівництві якої була використана пуццолан як гідравлічна добавка в бетон, був хвилелом в околицях Неаполя поблизу Путеол, що зберігся до наших днів (див. рис. 6). Незважаючи на те, що туфові блоки з цього хвилелому зазнали ерозії, сам пуцолановий розчин між ними добре зберігся.
Залежно від призначення розчину або бетону римляни застосовували різні співвідношення між вапном та пуццоланою. Однак найпоширенішим був склад 1:2 - на 1 частину вапна, 2 частини пуццолани. Міцність такого бетону, ймовірно, становила 5-10 і більше МПа.
Італійську пуццолану, як і грецьку санторинську землю, у великій кількості застосовують і тепер у гідротехнічному будівництві у різних країнах. На Канарських островах, де пуццолана, як і Італії, зустрічається повсюдно, співвідношення між вапном і пуццоланою приймалося 1 : 5. З бетонів таких складів побудовано гідротехнічні та іригаційні споруди, які стоять багато століть.
Повітряне вапно у поєднанні з пуццоланою та іншими гідравлічними добавками було практично єдиним гід - равлічним цементом того часу, оскільки гідравлічне
46Вапно і роман-цемент застосовувалися, як вважає більшість учених, епізодично та в обмеженій кількості.Таким чином, у застосуванні гідравлічної добавки до повітряного вапна укладено одну з головних відгадок секрету довговічності римського бетону. Американські вчені вже давно зацікавилися цим питанням і в середині 70-х років нашого століття отримали нове в'яжуче геополімерний цемент аналог давньоримського вапняно-пуцоланового в'яжучого. На думку зарубіжних фахівців, нові цементи більш довговічні та міцні, ніж сучасні портландцементи.