11.2. Цемент, портландцемент.

Цемент начали производить в прошлом столетии. В начале двадцатых годов XIX в. Е. Челиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825г. В 1856г. был пущен первый в России завод портландцемента.

Цемент – это собирательное название группы гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образовавшиеся при высокотемпературной обработке сырьевых материалов, доведенных до частичного или полного плавления.

Цемент каждого вида может при твердении развивать различную прочность, характеризуемую маркой. Выпускают цементы преимущественно марок 200, 300, 400, 500 и 600 (по показателям испытания в пластичных растворах). С повышением марки цемента эффективность его применения в бетонах часто возрастает за счет уменьшения удельного расхода вяжущего.

Из числа цементов разных видов наиболее важное значение имеет портландцемент.

Портландцемент – смесь нескольких химических веществ. Многочисленные исследования и многолетний практический опыт показывают, что для получения портландцемента элементарный химический состав клинкера, условно выражаемый по содержанию важнейших в нем окислов, должен находиться в следующих пределах: СаО 62 – 68; SiО₂ 18 – 26; А1₂О₃ 4 – 9; Fe₂O₃ 0,3 – 6 масс. %. Весовое отношение оксида кальция к остальным оксидам называется гидромодулем цемента и характеризует его технические свойства, например способность к затвердеванию. Для силикатных цементов гидромодуль близок к двум.

Эти данные показывают, что для производства портландцемента следует применять сырьевые материалы со значительным содержанием окиси кальция и алюминия. Этому условию отвечают широко распространенные в природе осадочные породы – известняки и глины. В известняках преобладает карбонат кальция, который, диссоциируя при обжиге, дает окись кальция. В глинах имеются различные гидросиликаты алюминия, формула которых имеет общий вид А1₂О₃ • nSiO₂ • mH₂О. Кроме того, в составе глин обычно содержатся двуокись кремния, в виде кварцевого песка и окислы железа. Эффективно применение геологической породы - мергели, которые по составу соответствуют цементной смеси.

Соотношение между сырьевыми компонентами устанавливают на основании предварительно проведенных анализов. Тщательно дозируя известняк и глину или заменяющие их материалы, получают сырьевую смесь. При этом в нее часто вводят так называемые корректирующие добавки с тем, чтобы смесь имела нужный химический состав. Такими добавками служат, например, железная руда или колчеданные огарки, если в данной глине не хватает окислов железа, или добавляют трепел, песок, если требуется повысить содержание двуокиси кремния в смеси.

Сырьевую смесь можно приготовлять сухим и мокрым способами. При сухом способе сырьевые материалы высушивают, а затем измельчают. При мокром способе, более распространенном, чем сухой, сырьевые материалы измельчают в присутствии воды, а затем смешивают. Независимо от применяемого способа всегда стремятся хорошо измельчить и смешать сырьевые компоненты. Тонкость и однородность смеси предопределяет качество клинкера, так как с увеличением дисперсности реагирующих веществ и при улучшении контактов между их частицами быстрее и полнее идут реакции между ними.

Получаемую при мокром способе суспензию сырьевых материалов в воде называют шламом. Эта сметанообразная масса, содержащая 32 – 45% воды, подается насосом в специальные емкости, называемые шламбассейны, где корректируется ее состав, а также создается некоторый запас для бесперебойной работы печей. Из бассейна шлам поступает для обжига во вращающуюся печь, представляющую собой длинный цилиндрический барабан (например, длиной 185м, диаметром 5м), медленно вращающийся вокруг своей оси. Печь составлена из звеньев, сваренных из толстой котельной стали, и изнутри облицована огнеупорным кирпичом. Температура в печи составляет более 1000^оС, время обработки смеси несколько часов.

Полученный после термообработки продукт - клинкер представляет собой плотную спечённую массу. Его размалывают в многокамерных шаровых мельницах и получают цемент. При помоле клинкера всегда добавляют небольшое количество двуводного гипса для регулирования сроков схватывания цемента.

Глиноземистый цемент обладает более высокими качествами, чем силикатный. Получают цемент при употреблении глин с малым содержанием кремнезема. Главной составной частью такого цемента являются алюминаты кальция, что делает его более дорогим. Так, глиноземистый цемент лучше противостоит действию морской воды, быстрее схватывается, кроме того, присоединение воды к алюминатам кальция - реакция экзотермическая. Это очень важно, так как можно вести работы в зимнее время, не тратя средства на обогрев конструкций. Уже через сутки затвердевший глиноземистый цемент имеет такую прочность, какую силикатный приобретает лишь через месяц. Не случайно этот цемент называют каменным клеем. С его помощью удается приготовить бетон, который не боится воды, не горит в огне, служит долго и надежно.