Строительные материалы. Цемент. Изготовление цемента.

Из истории развития производства цемента

Древние строители производили свои работы преимущественно на извести, употреблявшейся уже за 5—6 тыс. лет до н. э. Но уже тогда делались попытки улучшить качество этого связующего раствора путем добавки к  извести обожженных черепков глины в растолченном виде. Этот примитивный цемент, описываемый в истории Плинием, считался тогда прекрасным строительным материалом. Из такого цемента сложена в 3.700 до н. э. одна из величайших египетских пирамид Хеопса, высотой в 146 м и в 233 м шириной у основания. Уцелевшие части этой пирамиды свидетельствуют об устойчивости этого раствора.

В целях  дальнейшего улучшения вяжущего материала стали примешивать к извести кроме обожженной  глины разные земли и вулканические пеплы, получая так наз. роман-цемент, широко применявшийся римлянами. Первый патент на изготовление гидравлического цемента был получен в 1824 в Англии. Цемент назывался портландским, т. к. по цвету, он подходил к строительному камню Портланда. С этого момента собственно и началось развитие  промышленного цементного  производства. Вначале Англия являлась монополистом в производстве портланд-цемента; уже в 1855 был построен портланд-цементный завод в Германии. В России первый завод построен в Польше (1863) в местечке Гродвице.

Цемент

Цемент (вяжущее вещество), изготовленный заводским  способом порошкообразный  материал, который при смешивании с водой образует тесто, превращающееся на воздухе или в воде в твердое камневидное тело. Этот камень длительно сохраняет прочность. Цементы делятся:

1. Применение в объектах, после набора прочности, без воздействия воды (воздушные);
2. Применение в объектах с воздействием воды (гидравлические).

Номенклатура вяжущих  (цементирующих) веществ

Потландцемент

Портландцемент,  гидравлическое вяжущее вещество, продукт тонкого перемола клинкера, получаемого равномерным обжигом до спекания тщательно дозированных искусственных  смесей материалов,  содержащих углекислую известь и глину или доменный шлак,  трепел, диатомит, естественных материалов (мергелей) надлежащего состава. Добавка гипса (3%) в клинкер замедляет схватывание цемента. Добавка при перемоле клинкера доменных шлаков (15%) или песка кварцевого (10%) увеличивает качество портландцемента. Химический состав хороших сортов портландцемента колеблется в следующих пределах:

1. Окиси кальция—СаО—63—66%;
2. Кремнезема  Si0 2 —22—23%;
3. Глинозема А1 а Оз—6—7%;
4. Окиси железа Fe 2 ‘0 3 —2—3%. 

Портландцемента можно изготовлять смесью известняка (или мела) и глины, при этом отношение процента содержания (по весу) окиси кальция СаО к сумме процента содержания (по весу) кремнезема, глинозема и окиси железа (Si0 2 +А1, Оз + Fe 2 03), основным или  гидравлическим модулем, в готовом  клинкере должно быть в пределах от 1,7 до 2,4. Если доля кремнезема в составе цемента выше 3.5 части то он называется кремнеземистым портландцементом.

Производство портлан-цемента

Производство портланд-цемента разбивается на три основные стадии:

1. Подготовка сырья;
2. Обжиг;
3. Размол полученного клинкера.

Подготовка сырья может вестись мокрым, сухим и полусухим способами. При мокром способе сырье (известняк или мел и глина, взятые в определенной пропорции в соответствии с их химическим составом) подвергается разбалтыванию с водой. Направляется затем в мокрую трубчатую мельницу, а из нее в шламм-бассейн. Полученный шламм подается во вращающуюся трубо-печь, где он и обжигается до клинкера. При полумокром способе отмачиванию подвергается один из сырых материалов, обычно глина. При сухом способе оба сырых материала в отдельности дробятся и сушатся в сушильных барабанах, а затем вместе размалываются в шаровых или трубчатых мельницах. Чем тоньше помол и чем однороднее полученная смесь, тем выше качество получаемого портланд-цемента.

 При обжиге в шахтных печах сырцовая масса формуется в кирпич-сырец, который затем обжигается. Обжиг смеси сырых материалов производится во вращающихся трубчатых печах, но значительное  распространение  имеют  также шахтные печи, а особенно так называемые «автоматические» с автоматической загрузкой сырых материалов и выгрузкой готового портландцементного клинкера. Вращающиеся печи (существуют различные системы) представляют собою железные футерованные огнеупорным кирпичом цилиндры длиною от 60 м до 75 м при диаметре от 2,3 м до 3,3 м, установленные под небольшим углом. Бывают печи длиною до 120 м.

Шламм равномерной струей поступает в печь со стороны приподнятого конца, а с противоположного конца во время медленного вращения печи (15—40 оборотов в час) вдувается пылевидное или жидкое топливо. При  температуре 1.430-—1.500° в зоне спекания образуется цементный клинкер, который по выходе из указанной зоны поступает в расположенный под печью трубчатый вращающийся (60—90 оборотов в час) холодильник. Откуда в виде горошин до 2 см в поперечнике транспортируется в особые сараи или распределяется по отдельным силосам. Распространены «соло-печи» системы Полизиуса, в которых холодильником является удлиненная передняя часть печи.

В последнее время вошли в употребление вращающиеся печи, в которых клинкер охлаждается в холодильных трубах (в так называемых рекуператорах). Производительность печи достигает 400 тн в сутки. Автоматические шахтные печи значительно повысили качество цемента и понизили себестоимость его. Главным отличием этих печей от периодических шахтных печей старого типа (Дитча, Шнейдера и др.) является непрерывная загрузка сырых материалов и выгрузка клинкера, а также особый способ загрузки топлива путем впрессовывания его в сырец. Помол клинкера на цемент производится в шахтных и трубчатых мельницах.

Клинкер шахтных печей сперва дробится на куски величиной в 2—5 см, затем на крупу, наконец производится тонкий помол в трубчатых мельницах цемент, выходящий из мельницы, направляется в железобетонные силосы большой емкости (высотой до 12 м и выше), где он вылеживается 10—12 дней. После чего при помощи особых машин упаковывается в бочки, в джутовые, холщевые или клееные бумажные мешки. Бочки вмещают 155 кг цемента, а бумажный мешок 50 кг. Бумажный мешок в зависимости от механической прочности портланд-цемента делится на три марки:

1. «0» (обыкновенный);
2. «00» (повышенный);
3. «000» (высокосортный).

«ООО» отличается тем, что механическая прочность изготовленных на нем растворов быстро возрастает. Портланд-цемент имеет широкое применение в строительном производстве. В смеси с песком и водой он применяется, например, для кирпичной кладки, в смеси со щебнем и гравием и песком образует т. н. бетон. Исключительная способность портланд-цемента к сильному сцеплению с железом дала возможность применять сочетание бетона с железом. При обжиге во вращающейся печи смеси измельченных глины и гипса (или ангидрида) с углем получаются также  портланд-цементный клинкер и сернистый ангидрид, который перерабатывается на серную кислоту.

Производство глиноземистого цемента

Глиноземистый, или бокситовый цемент  есть продукт тонкого перемола вещества, получаемого сильным обжигом — до сплавления или спекания — смесей материалов, богатых глиноземом (боксит с известью или известняком). Продукт этот характеризуется быстрым возрастанием механического  сопротивления  изготовленных на нем растворов. Химический состав глиноземистого цемента следующий:

1. СаО—35—45%;
2. Si0 2 —5—10%;
3. А1 2 0 3 — 35—50%;
4. Fe 2 0 3 —5—15%.

 Большое содержание глинозема и дало повод назвать этот новый цемент глиноземистым (впервые стал  вырабатываться во Франции в 1908).

Существует два способа производства глиноземистого цемента. Первый наиболее распространенный способ заключается в том, что грубо измельченная и тщательно дозированная  смесь известняка или извести и боксита подвергается плавлению (при температуре около 1.400°) в электрической печи (отсюда установившееся название «электроцемент») или в небольших шахтных печах с водяной рубашкой на коксе или антраците. Выпущенный из печи жидкий сплав после затвердении и охлаждении подвергается перемолу в тонкий порошок. По второму способу из смеси известняка (или извести) и боксита фабрикуют кирпичи, которые после сушки подвергают обжигу до спекания при температуре 1.200—1.300° и последующему помолу.

Глиноземистый цемент по сравнению с портланд-цементом имеет ряд преимуществ. Характерным свойством глиноземистого цемента является весьма быстрое нарастание механической прочности. Так, в нормальных растворах с песком 1:3 он дает временное сопротивление сжатию:

1. Через 5 часов около 250 кг/см2;
2. Через 10 часов около 470 кг/см2;
3. Через 15 часов около 500  кг/cм2;
4. Через сутки около 650 кг/см2;
5. Через 4 дня около 600 кг/см2 . 

Это свойство  глиноземистого  Ц. сделало его незаменимым материалом для всякого рода военных сооружений. Он нашел также применение на нефтяных промыслах в качестве тампонажного. Для устройства мостовых, метрополитенов, для морских  сооружений растворы глиноземистого Ц. очень хорошо противостоят морской воде и сернокислым водам, разрушающим портланд-цементные  растворы.

Пуццолановые портланд-цементы

Пуццолановые портланд-цементы представляют собою продукты, получаемые путем совместного перемола портланд-цементного клинкера и кислой гидравлической  добавки (пуццолан, трасс, диатом, сиштоф и др.) в количестве более 10%. По сравнению с обыкновенным портланд-цементом имеют следующие преимущества:

1. Хорошо противостоят разрушающему действию морской воды;
2. Механическая прочность их через известный промежуток времени выше того портланд-цемента, с которым пуццоланическая добавка была смешана;
3. Себестоимость  их ниже себестоимости  портланд-цемента.

Недостаток в том, что они медленно твердеют, а это в значительной степени мешает быстрому производству работ и пуску сооружений в эксплуатацию. При длительном хранении пуццолановые портланд-цементы твердеют еще медленнее.

Шлако-портланд-цемент

Шлако-портланд-цемент есть продукт, получаемый путем перемола вместе портланд-ементного клинкера и гранулированного основного доменного шлака надлежащего состава. Весовое содержание  шлака в готовом продукте не должно превышать 85%. По сравнению с портланд-цементом этого рода цементы являются медленно твердеющими. Шлако-портланд-цементы допускаются для железобетонных работ и во всех тех случаях, где применимы пуццолановые портланд-цементы. Шлако-портланд-цемент рекомендуется применять в течение 2—3 месяцев с момента их выработки

Шлаковый бесклинкерный цемент

Шлаковый бесклинкерный цемент применяется там, где и портланд-цемент, кроме железобетонных работ и подводных сооружений. Применение шлакового бесклинкерного Ц. в этих случаях не допускается впредь до окончания исследовательских работ.

Роман-цемент

Роман-цемент есть продукт тонкого перемола обожженных при температуре, не доводящей материал до спекания,  естественных известняков, магнезиальных мергелей или доломитов с глинистыми материалами. Продукт этот после обжига при смачивании водой не гасится (не рассыпается в порошок). Тесто из роман-цемента твердеет в воде. Количество ангидрида серной кислоты, S0 3 , не должно превышать 3%. Исходными материалами для производства роман-цемента являются  известковые и доломитовые мергели, содержащие свыше 25% глинистой примеси и менее 75% углекислой извести (вместе с магнезией).

Содержание карбонатов в них обычно бывает от 60% до 70% или несколько ниже.  Производство роман-цемента состоит в обжиге мергеля в тех же печах, какие применяются для обжига гидравлической извести,—и в помоле продукта обжига. Роман-цемент имеет примерно следующей состав:

1. SiO,—15—28%;
2. А1,0 3 —5,0—10,3%;
3. Fe,0 3 —1,9—5%;
4. СаО—33,5—49,5%;
5. МдО—1,2—21,5%;
6. S0 3 —1,2—2%.

Роман-цемент большей частью схватывается, очень быстро, а поэтому на работах его нельзя затворять водой сразу в большом количестве. По своим техническим качествам роман-цемент  значительно уступает портланд-цементу. Они применяются для тех же целей, что и портланд-цементы, но значительно дешевле последних.

Гидравлическая известь

Гидравлическая  известь применяется как для подземных, так и подводных сооружений, там, где крепость Ц. не играет большой роли. Значительное развитие производство гидравлической извести получило во  Франции.