Цемент (неорганич. вяжущие материалы)

Цемент (нем. Zement, от лат. caementum — щебень, битый камень), собирательное название искусственных неорганических порошкообразных вяжущих материалов, преимущественно гидравлических, обладающих способностью при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или др. жидкостями образовывать пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело; один из главнейших строительных материалов, предназначенных для изготовления бетонов и строительных растворов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, гидроизоляции и др.

В общем понимании этого термина Ц. известен с древнейших времён. Первыми искусственными вяжущими веществами были гипс и известь, применявшиеся древними египтянами и греками при возведении монументальных сооружений, частично сохранившихся до наших дней. Позднее в качестве вяжущих использовались известковые растворы с добавкой измельченных вулканических пород (в Древнем Риме) или слабообожжённого кирпича-цемянки (в Киевской Руси), придававших им способность твердеть в воде. В 1796 Дж. Паркером был получен патент на гидравлическое вяжущее — романцемент — измельченный продукт обжига природных мергелей. В 1824 Дж. Аспдин в Англии и в 1825 Е. Г. Челиев в России независимо друг от друга создали портландцемент, получаемый обжигом до спекания искусственной смеси известняка и глины, взятых в определённых пропорциях.

Большое значение в развитии теории и практики цементного производства в России имели труды А. Р. Шуляченко, Н. А. Белелюбского, И. Г. Малюги, Н. Н. Лямина, В. И. Чарномского. В результате их работ были созданы высококачественные отечественные Ц., почти полностью вытеснившие из строительной практики Ц. иностранного производства. Однако в дореволюционной России количество цементных заводов, их мощность и технический уровень были недостаточными. Единственным научным учреждением, занимавшимся исследованиями по Ц., была механическая лаборатория Петербургского института инженерных путей сообщения.

Октябрьская революция 1917 открыла широкие возможности для развития цементной промышленности и науки о Ц. Трудами советских учёных А. А. Байкова, В. А. Кинда, В. Н. Юнга, П. П. Будникова, П. А. Ребиндера, Н. Я. Торопова, Ю. М. Бутта, А. В. Волженского и др, были созданы современные основы физикохимии. Ц., разработана теория его твердения, усовершенствована технология цементного производства, созданы новые высокоэффективные виды Ц. с особыми свойствами, удовлетворяющими потребности различных отраслей народного хозяйства. В СССР научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы, связанные с развитием цементной промышленности и повышением её технического уровня, осуществляются рядом специализированных институтов (НИИЦемент, Гипроцемент, НИИЦеммаш и др.), а также кафедрами некоторых вузов.

Современный процесс производства Ц. включает: добычу цементного сырья природного или использование в качестве такового некоторых промышленных отходов (металлургических шлаков, зол ТЭС, вскрышных пород и т.п.); дробление и тонкое его измельчение; приготовление однородной сырьевой смеси заданного состава; обжиг её до спекания при температуре 1450—1550 °С; измельчение полученного клинкера в тонкий порошок вместе с небольшим количеством гипса и активных минеральных добавок или др. веществ, придающих Ц. нужные качества. В зависимости от способа приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинированный способы производства Ц. Выбор способа обусловлен главным образом технико-экономическими показателями: возможной степенью концентрации производства, расходом топлива и электроэнергии, трудовыми затратами.

При сухом способе производства Ц. сырьевые материалы (известняк и глина) в процессе измельчения и помола в мельницах высушиваются и превращаются в сырьевую муку, состав которой корректируется в соответствии с заданным, после чего мука поступает на обжиг. Современные вращающиеся печи для обжига клинкера, как правило, оборудованы запечными теплообменниками, в которых осуществляется подогрев и частичная декарбонизация сырьевой смеси. Расход тепла на обжиг клинкера составляет 750—850 ккал/кг клинкера. При мокром способе размол сырьевых компонентов осуществляется в мельницах в присутствии воды, которая играет роль понизителя твёрдости, интенсифицирует процесс помола и снижает удельный расход энергии на помол. Полученная сметанообразная масса (шлам) корректируется до заданного состава и направляется на обжиг. За счёт испарения воды шлама в печи расход тепла на обжиг увеличивается н в зависимости от размера и конструкции печи составляет 5,45—6,7 Мдж/кг (1300—1600 ккал/кг) клинкера. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по схеме мокрого способа, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется (обычно в виде гранул) и поступает на обжиг. Расход тепла при этом составляет около 4,19 Мдж/кг (1000 ккал/кг) клинкера.

Необходимые свойства Ц. достигаются правильным проектированием сырьевой смеси и получением в процессе производства Ц. нужного состава — химического, минералогического, гранулометрического и вещественного (под минералогическим составом Ц. понимается качественный и количественный перечень минералов, входящих в состав клинкера; под вещественным составом — качественный и количественный перечень веществ, входящих в состав готового Ц.). Правильное проектирование сырьевой смеси — одно из важнейших условий, обеспечивающих нормальное протекание и полное завершение процессов клинкерообразования при обжиге и высокие экономические показатели производства. Контроль качества готового Ц. осуществляется на основе требований соответствующих ГОСТов. Стандартизованы также методы физико-механических испытаний при определении свойств Ц.

По прочности Ц. делится на марки. Марка Ц. определяется пределом прочности при изгибе образцов-призм размером 40´40´160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементного раствора состава 1: 3 (по массе) с нормальным (кварцевым) песком (срок твердения образцов в воде 28 сут с момента изготовления). Для специального Ц. возможно изменение состава и методов изготовления и хранения образцов.

О составе, особых свойствах и областях применения главнейших видов Ц., выпускаемых в СССР, см. табл. За рубежом выпускаются примерно такие же, как и в СССР, виды Ц. По своим техническим качествам Ц. сов. производства принадлежат к числу лучших Ц. в мире.

Главнейшие виды цементов, выпускаемых в ССР

Название

Вещественный состав цемента

(в % по массе)

Минералоги-

ческий состав клинкера

(в % по массе)

Марка цемента

Особые свойства

Основные области применения

 

Портланд-

цемент

Портландцемент- ный клинкер (85); гипс (1,5-3,5) по SO3; активная минеральная добавка (до 15)

3CaO·SiO2(37—72); 2CaO·SiO2(6—47); 3СаО·Al2O3 (2—20); 4СаО·Al2O3·Fe2O3 (2—19)

300, 400, 500, 600

Монолитный бетон гражданских и промышленных зданий и сооружений, сборные железобетонные конструкции, дорожное строительство, наружные части гидротехнических сооружений, строительные растворы

 

Быстротвер- деющий портландце- мент

Портландцемент- ный клинкер (90); гипс (1,5—3,5) по SO3; активная минеральная добавка (до 10)

3CaO·SiO2 + +3СаО·Al2O3

(до65); 2CaO·SiO2 + 4CaO·Al2O3·

Fe2O3 (33)

Не ниже 400; через 3 сут прочность не менее: 4 Мн/м2

(при изгибе),

25 Мн/м2 (при сжатии)

Более быстрое твердение и более тонкий помол, чем у обычного портландце-

мента

Сборные железобетонные конструкции, скоростное строительство

Сульфато- стойкий портландце- мент

Портландцемент- ный

клинкер (100); гипс

(до 3,5) по SO3

3СаО·SiO2 (до 50);

3CaO·Al2O3 (до 5);

3СаО·Al2O3 +

+ 4СаО·Al2O3Fe2O3

(до 22)

400

Повышенная стойкость к сульфатной

агрессии, повышенная

морозостой- кость

Для сооружений, находящихся в условиях сульфатной агрессии и в условиях переменного

замораживания и оттаивания

или увлажнения и высыхания

Пластифици- рованный портландце-

мент

Портландцемент

с пластифицирую- щей

добавкой (0,15—0,25)

Тот же, что у портландце- мента

300, 400, 500

Повышенные пластичность и морозостой- кость

Те же, что и обычного портландцемента; для экономии цемента или бетонной смеси; для

повышения морозостойкости бетона

Гидрофобный

портландце- мент

Портландцемент

с гидрофобной добавкой (0,06—0,3)

300, 400

Длительное сохранение активности, повышенные пластичность и морозостой- кость

Те же, что и обычного и пластифицированного портландцементов и в тех случаях, когда

необходимо длительное хранение цемента

Тампонажный

портландцемент:

а) для "холодных"

скважин; б) для "горячих" скважин

Портландцементный

клинкер; допускается введение: а) активных

(до 15%) или инертных

(до 10%) минеральных

добавок; б) шлака (до

15%) или песка (до

10%)

Быстрое твердение

и медленное схватывание

Тампонирование нефтяных и газовых скважин

Декоративные

Портландце- менты (белый и цветные)

Белый портландцемент- ный клинкер (80—84); диатомит (6); инертная минеральная добавка (10) или минеральный пигмент (15)

4СаО·Al2O3·Fe2O3

(до 2)

300, 400, 500

Белый цемент по степени белизны делится на 3 сорта, цветные цементы имеют различную окраску

Отделка зданий и сооружений, скульптурные и покрасочные работы

Сульфато- стойкий пуццолановый портландце-

мент

Портландцемент-

ный клинкер (60); добавки

вулканического (25—40) или осадочного (20—30) происхождения; гипс (до 3,5) по SO3

3СаО·Al2O3

(до 8)

200, 300, 400

Повышенная стойкость к сульфатной агрессии

Подводные и подземные сооружения в условиях постоянного воздействия агрессивных (сульфатных) вод

Шлакопорт- ландцемент

Портландцемент- ный клинкер (40—70); доменный гранулированный шлак (30—60); гипс (до 3,5) по SO3

Тот же, что у портландце-

мента

300, 400, 500

Замедленный рост прочности в начале период твердения, пониженные морозостой- кость и тепловыделе- ние, повышенная сульфатостой- кость

Те же, что у портландцемента. Эффективен для сборного железобетона, изготовляемого с тепловлажностной обработкой

Глинозёмистый шлак (100); допускается введение 1% добавок, не ухудшающих качество цемента

СаО·Al2O2; 12СаО·7Al2O3; СаО·2Al3O3; 2СаО·Al2O3·

SiO2; FeO

400, 500, 600 (через 3 сут твердения)

Быстрое твердение при нормальной и пониженной температурах, высокая стойкость к действию минерализован- ных вод, потеря прочности (до 60%) через 15—20 лет

Срочные, аварийные и восстановительные работы, сооружения, подвергающиеся действию минерализованных вод или сернистого газа, жаростойкие бетоны и растворы. Неприменим в условиях повышенной температуры и влажности

Глинозёмис- тый цемент

Гипсоглинозё-

мистый расширяю- щийся цемент

Глинозёмистый шлак (70); двуводный гипс (30)

Тот же, что у глинозёмисто-го цемента

400, 500 (через

3 сут твердения)

Расширение при

твердении в воде (через 1 сут 0,15%, через 28 сут 0,3—1%), быстрое твердение; высокие плотность, водонепрони- цаемость и сульфатостой-

кость

Водонепроницаемые бетоны и растворы, заделка стыков, ремонтные работы, тампонирование нефтяных и газовых скважин

Кислотоупор-

ный цемент

Кварцевый песок (90—96): кремнефторис- тый натрий

(4—8,5)

SO2; Na2SiF6

Предел прочности при растяже- нии

2 Мн/м2 (через

28 сут твердения)

Стоек к действию большинства минеральных и органических кислот. Нестоек к действию HF, H2SiF6, кипящей воды и водяного пара. Токсичен

Кислотоупорные бетоны и растворы, обмазки и футеровки. Неприменим в аппаратах пищевой промышленности и при температуре ниже —20°С

Современные тенденции в производстве Ц.: постоянное увеличение объёма его выпуска (в СССР к 1980 достигнет 143—146 млн. т в год); расширение ассортимента специального Ц. и увеличение объёма их производства (особенно высокопрочных, быстротвердеющих, декоративных и расширяющихся Ц.); повышение средней марочной прочности выпускаемых Ц. (в частности, увеличение производства Ц. марки 600 и освоение выпуска Ц. марки 700); интенсификация процесса твердения Ц. (достижение высокой прочности через 4—6 ч твердения); рациональное территориальное размещение цементных заводов с целью сокращения перевозок сырья и готового продукта; снижение себестоимости Ц.; обеспечение высокой степени механизации и автоматизации цементного производства и дальнейшее улучшение условий труда на предприятиях цементной промышленности.

Лит.: Технология вяжущих веществ, М., 1965; Вяжущие материалы, заполнители для бетонов и нерудные материалы, М., 1973; Краткий справочник технолога цементного завода, М., 1974.

И. В. Кравченко.