Склад цементу. З чого роблять цемент

Якщо судити за масштабами застосування в будівництві розчинів і бетонів на основі мінеральних в'яжучих, здається, що історія штучних каменів на основі цементів налічує довгі століття. Але по-справжньому відпрацьована технологія виробництва і оптимальний склад цементу стали відомі менше двох століть тому.

Винахід каменю

Камені будинків доісторичного часу скріплювалися в стіні за допомогою глини, але зберегтися без випалу вони не могли, та найдавніші споруди, що дійшли до нас, були зведені з застосуванням вапняного розчину. Обпалений і розмелений вапно (оксид кальцію Ca(OH)) після змішування з водою твердіють, поглинаючи з повітря вуглекислий газ, а потім знову перетворюється в камінь. Основний недолік вапняного в'яжучого – низька вологостійкість, тому сьогодні він застосовується більше при виготовленні силікатної цегли. Інший вид повітряного мінерального в'яжучого (тобто набирає міцність на повітрі) – гіпс. Він виходить при тепловій обробці і подальшому розмелі природного гіпсового каменю (CaSO 4 -2H 2 O) або природного ангідриду (CaSCu). Гіпсове в'яжуче має величезну історію застосування з найдавнішого часу до сьогоднішніх днів. Найяскравіші приклади – розкішні ліпні і скульптурні прикраси, листові матеріали (ГВЛ, ГКЛ) для сухих методів будівництва та оздоблення.

Гідравлічні в'яжучі речовини

Область застосування повітряних в'яжучих обмежена тими місцями, де готові конструкції не піддаються впливу вологи, в іншому випадку доводиться застосовувати гідрофобізуючі (водовідштовхувальні) добавки або проводити гідроізоляційні заходи, тому застосування гідравлічних в'яжучих більш зручно і поширене ширше. До них відносяться речовини, що утворюють гідратні (молекула води входить у кристалічну решітку як складова частина) з'єднання, коли перетворення в камневидное тіло і подальший набір міцності можуть відбуватися у вологому середовищі, а вплив води в ході експлуатації конструкцій не приводить до їх руйнування. Розчини та бетони для виконання водостійких конструкцій наготовлюють на основі гідравлічного вапна (з осадових вапняних порід особливого складу – мергелів) і портландцементу, причому саме останній надає монолітних та збірних елементів будівлі необхідну міцність, а вапняні розчини застосовуються там, де навантаження мінімальні.

Історія цементу

Спроби подолати низьку водостійкість вапняних і гіпсових сумішей робилися з найдавніших часів. Цемент (caementum в перекладі з латині — подрібнений, битий камінь) з'явився шляхом додавання в вапно різних мінеральних речовин, володіли гідрофобними властивостями. Для цього використовували подрібнені залишки цегли з випаленої глини, різні вулканічні породи. Так, до складу цементу, який застосовувався будівничими Стародавнього Риму, входили пуцолани – відкладення попелу знаменитого вулкана Везувію. Експерименти тривали довгі століття, поки потреба у великій кількості міцного і недорогого в'яжучої речовини не змусила будівельників виробити оптимальну технологію його виробництва. Вирішальний внесок у такі дослідження внесли російський військовий технік Єгор Челиев, видав книгу про цементі для підводних робіт (1825), і муляр з англійського Лідса Джон Аспдін, отримав патент на портландцемент (1824). Ця назва походить від англійського острова Портленд, розташованого в протоці Ла-Манш і складається з вапняних порід. Каміння з кар'єру, що знаходиться на цьому острові, вважалися самим престижним будівельним матеріалом в Англії. Отриманий Аспдін штучний камінь був дуже схожий на нього кольором і міцністю. Цікаво, що технологія Челієв більше відповідає тому, що тепер називається портландцементом, а цемент Аспдін виготовлявся без прийнятого зараз спікання вихідної сировини.

Технологія виробництва

Цементне в'яжуче у різних виробників може відрізнятися вихідною сировиною, але основні технологічні операції ідентичні. Перша стадія – підготовка вихідної мінеральної сировини, тобто кілька стадій подрібнення вапнякових каменів і глини, змішування цих компонентів в потрібних пропорціях. З чого складається цемент? Зазвичай це 3 вагових частини вапняку і 1 частина глини. Іноді використовується осадова гірська порода мергель, де дані компоненти містяться в потрібній пропорції.

"Сухий" і "мокрий" спосіб

Існує два способи отримання потрібного стану суміші: "сухий" і "мокрий". Якщо вологість компонентів висока, глина і м'який вапняк (крейда) розчиняються у воді, потім з цієї суспензії, званої сировинних шламів, вода сильним нагріванням (випаровуванням) видаляється. Виходить рівномірна тонкоизмельченная суміш. Більш економічний спосіб – "сухий", де немає стадії доведення шламу до кипіння, а суміш подрібнюється механічним способом. Далі в обертових печах – циліндрах діаметром близько 5 м, довжиною близько 200 м, що мають ухил для переміщення сировинної маси в процесі випалу, відбувається утворення клінкеру – окатанних гранул, що з'являються в процесі спікання суміші при температурі 1450 С в результаті фізичних і хімічних взаємодій. Клінкер охолоджується і витримується до двох тижнів перед остаточною операцією – спільним подрібненням з певною кількістю гіпсу, який додається для уповільнення процесу схоплювання. Тут остаточно формується склад цементу, на цій же стадії вводяться різні мінеральні добавки, що надають в'яжучому потрібні специфічні властивості.

Хімічна основа

Необхідні властивості самого популярного в'яжучого визначає хімічний склад цементу. В результаті технологічної обробки сировини клінкер стає з'єднанням різних хімічних речовин у вигляді чотирьох основних мінералів:

Аліт – трехкальциевого силікат – становить більшу частину клінкеру – 50-60%. Присутність в молекулярній решітці іонів марганцю, алюмінію і заліза визначає міцність готової розчинної або бетонної суміші, набираемой протягом перших 28 діб.

Білить – двухкальціевий силікат – становить 15-30%, і він – основа міцності, набираемой конструкцією в більш пізні терміни.

Алюмінатних фаза – трехкальциевого алюмінат – 5-10%. Швидка реакція алюмінату з водою і можливе занадто швидке схоплювання вимагають введення гіпсу, уповільнює цей процес.

Феритної фаза – чотирьохкальцієвого алюмоферріт – 5-15 %

Змінюючи процентний склад цих фаз, вводячи додаткові компоненти, можна виробляти цемент, склад і властивості якого будуть найкращим чином відповідати конкретній ситуації в ході будівництва.

Види цементу

Шлакопортландцемент виходить при додаванні до портландцементному гранульованого шлаку клінкеру – побічний продукт виплавки чавуну в доменних печах. Застосування шлаку знижує вартість, а склад цементу, виробленого за такою технологією, надає конструкціям, виконаним на його основі, підвищену стійкість до впливу води з насиченим мінеральним складом, наприклад, морський. Швидкотвердіючий – це цемент з переважанням в клінкері аліта і алюмінатний фази, що відрізняється особливо тонким помелом – все це прискорює набір міцності. Сульфатостійкий портландцемент застосовується для гідроспоруд, підводні частини яких піддаються постійному впливу речовин, що викликають сульфатну корозію. З чого складається цемент, призначений для таких відповідальних конструкцій? В клінкерній цеглі сировину до мінімуму зведено присутність трьохкальцієвого алюмінату і беліта. Портландцемент із зниженим тепловиділенням при наборі міцності необхідний для виготовлення конструкцій великої маси і об'єму, коли тепло, що виділяється екзотермічною реакцією твердіння, може привести до утворення тріщин. Склад такого цементу схожий на сульфатостійкий.

Білий цемент

Вироби, виконані з використанням білого цементу, володіють підвищеними естетичними якостями. Присутність в вихідному сировину окису заліза і окису марганцю надає готовому порошку характерний сіро-зелений колір, відповідно, склад білого цементу передбачає мінімальну присутність таких солей і використання вихідної сировини світлих, каолінових сортів глини. Існує ще багато видів цементного в'яжучого, що володіє спеціальними якостями: гідрофобний, глиноземистий, водонепроникний розширюється, напружує, пластифікований, піскуватий і т. д.

Склад і міцність

Найважливішим показником якості цементу є міцність виробів, виготовлених на його основі. ГОСТом встановлені необхідні показники, які позначаються особливої маркуванням. Цифра означає межа міцності на вигин і стиск при лабораторних випробуваннях стандартних зразків, на стійкість до навантажень яких впливає і склад цементу. М400 означає, що зразки витримали навантаження до 400 кг/см2 (або 40 Мпа). Дослідження показують, що мінеральний склад вихідної сировини – найважливіший фактор, що впливає на міцність цементних розчинів і бетонів. Правильний підбір компонентів дозволяє знайти потрібну пропорцію між швидкістю набору міцності та кінцевою величиною стійкості до навантажень, яка тільки збільшується з плином часу. Склад цементу М500 дозволяє створювати балки і плити, здатні витримувати колосальні навантаження.
Сьогодні в світі виробляється величезна кількість цементу самого різної якості. Вибір сировини для нього часто визначається економічними чинниками, і при правильному відношенні до будівельного процесу слід знати, з чого складається цемент, який буде використовуватися, щоб зробити правильний вибір і бути впевненим в міцності і довговічності майбутнього будинку.