Цемент

Цемент представляет собой тонко размолотый минеральный порошок, способный при смешении с водой образовывать пластичную массу, с течением времени затвердевающую в камневидное тело. 

Наиболее распространенный цемент, называемый портланд-цементом, получают путем обжига при высокой температуре (1400-1500°) природного сырья в виде мергелей или искусственной смеси известняка с глиной и другими материалами. Обжиг производится в специальных печах. Обычно цементо-обжигательная печь - это огромный, длиной 100-150 метров, горизонтально расположенный цилиндр, выложенный внутри огнеупорным кирпичом и медленно вращающийся. Печь устанавливается с наклоном; благодаря этому материалы в ней, пересыпаясь, постепенно передвигаются от одного конца к другому. При обжиге получается спекшийся материал, часть которого расплавилась и застыла в стекловидном состоянии. Этот материал носит название цементного клинкера.

Цементный клинкер состоит из кристаллических минералов, соединенных стекловидным веществом. 

Цементный клинкер подвергается размолу в тонкий порошок с добавкой при размоле нескольких процентов гипса (обычно до 5%), и цемент готов.

Цементный клинкер имеет сложный состав. В него входят соединения извести с окисью кремния, так называемые силикаты кальция. Они составляют основную часть - около 75% - клинкера. Большое влияние на свойства клинкера оказывает содержание в нем соединений окиси алюминия с окисью кальция, которые называются алюминатами кальция. Одно из этих соединений, преимущественно представляющее алюминаты кальция, - трехкальциевый алюминат, в большой степени влияет на технические свойства цемента. Это вещество очень быстро соединяется с водой, но не дает устойчивых соединений. В зависимости от вида исходных материалов и условий обжига состав цементного клинкера, а следовательно, и его технические свойства изменяются. Портланд-цемент, выпускаемый различными заводами, имеет общее название и общие характеристики по прочности, но может отличаться по составу. Различие в составе клинкера определяет такие важные технические свойства цемента, как скорость затвердевания, устойчивость в природных водах, морозостойкость и др.

Состав и свойства минералов, входящих в цементный клинкер, изучаются специальной отраслью химии - химией цемента.

В цементный клинкер при помоле могут вводиться, кроме гипса, и другие добавки: горные породы, шлаки, которые, присутствуя в цементе в количестве до 10-15%, существенно не ухудшают его прочности и позволяют экономить таким образом более дорогой клинкер. Однако там, где требуется высокая морозостойкость, как, например, в дорожных покрытиях, рекомендуется применять цемент, полученный размолом цементного клинкера, без каких-либо добавок, кроме гипса.

Помимо портланд-цемента, выпускаются большие количества различных цементов, отличающихся составом сырья, из которого их получают, способом производства и свойствами. Советская цементная промышленность выпускает специальные цементы, предназначенные для особых условий службы бетона и специальных целей. Значительное количество разновидностей цементов получается на основе портланд-цементного клинкера путем добавки к нему различных веществ.

Чем тщательнее подобран состав сырья, чем лучше проведен процесс обжига и чем тоньше размолот цемент, тем выше его качества и тем большую прочность может он обеспечить при затворении его водой. Но более активный цемент всегда более чувствителен к действию влаги и углекислоты, содержащихся в воздухе, и при хранении быстрее теряет активность. Это видно из рис. 5. Чем мельче частицы цемента, тем больше их поверхность на каждый грамм цемента и тем больше процент потерь при образовании на их поверхности пленки одинаковой толщины. Поэтому современные тонкомолотые высокоактивные цементы требуют тщательной упаковки и хранения и быстрого употребления в дело. 

Как был открыт современный цемент? 

Способность некоторых природных материалов после обжига приобретать свойство затвердевать, будучи смешанными с водой, была известна давно. Наиболее древними вяжущими строительными материалами были известь и гипс, которые не требовали тонкого размола и высоких температур для их изготовления. Постепенное развитие конструкций обжигательных печей и размольного оборудования позволило создать условия, необходимые для получения высококачественных цементов.

Производство современного портланд-цемента, дающего высокую прочность бетону и способного быстро затвердевать в смеси с водой и продолжать твердение под водой, возникло сравнительно недавно - в начале XIX века.

В книге Челиева, изданной в 1825 г., обобщен опыт приготовления вяжущего вещества, применявшегося при восстановлении Московского Кремля. В книге дается описание свойств и технологии приготовления наиболее совершенного для того времени цемента, более совершенного, чем цемент англичанина Аспдина, который в тот же период работал над способом получения цемента, названного впоследствии портланд-цементом по имени города Портлэнд, около которого добывался естественный камень, похожий по внешнему виду на затвердевший бетон.

Большие работы по исследованию способов получения цементов были проведены в начале XIX века известным французским ученым Вика и его учениками. Интересно, что до настоящего времени для определения сроков схватывания цементного теста применяется прибор, который по имени его изобретателя называется иглой Вика.

Заслуга Егора Челиева, первого русского исследователя, получишнего высококачественный цемент, достойно оценена в нашей стране.

Большие работы по исследованию свойств цементов провели русские ученые Р. Л. Шуляченко, А. А. Байков, В. А. Кинд, С. И. Дружинин, В. Н. Юнг, П. П. Будников, В. Ф. Журавлев и др.

Производство цемента в России до Великой Октябрьской социалистической революции развивалось сравнительно медленно.

В настоящее время советская цементная промышленность выпускает во все возрастающем количестве высококачественные цементы. Растет выпуск и специальных цементов. По плану шестой пятилетки производство цемента должно вырасти в 2,2 раза.

Производство цемента быстро растет, но и потребность в нем непрерывно увеличивается. По темпам развития, по организации технического контроля за качеством наша цементная промышленность занимает ведущее положение в мире.

Для того чтобы правильно и экономно использовать этот замечательный и ценный строительный материал, необходимо хорошо знать его свойства и особенности.

Что же происходит при смешении, или, как говорят строители, при затворении цемента с водой?

Чтобы лучше понять явления, происходящие при этом, сравним процессы, действующие в смеси цемента2 с водой - цементном тесте, с тем, что происходит в таком общеизвестном и простом материале, как глиняное тесто.

Глина, замешанная с водой, образует глиняное тесто, которое при хранении во влажных условиях (например, под сырой тряпкой) не изменит своего состояния и останется таким же мягким, каким оно было в момент замеса. Глиняное тесто затвердевает только при высушивании, но, если его опять смочить водой, оно размокнет. Так, например, размокает кирпич-сырец, не подвергавшийся обжигу. Высушенное гдиняное тесто имеет меньший вес, чем влажное. Свободное удаление воды путем высушивания и возможность повторного получения теста при увлажнении свидетельствуют о том, что химического соединения воды с глиной не происходит.

А с цементом дело обстоит иначе.

Если замешать порошок цемента с водой, образуется пластичная масса-тесто, которое может быть залито или уложено в заранее приготовленную форму. В зависимости от количества добавленной в него воды тесто будет более или менее жидким. Оставленное в покое, оно постепенно густеет, теряет текучесть, подвижность, как говорят, «схватывается», а затем постепенно затвердевает, обращаясь в прочное камневидное тело, называемое цементным камнем. Прочность цементного камня возрастает со временем, и ее увеличение продолжается в течение длительных сроков, исчисляемых месяцами и годами. При хранении теста во влажных условиях, исключающих высыхание, оказывается, что вес цементного камня не изменяется со временем. При длительном твердении теста, а затем цементного камня па воздухе оно не высыхает полностью, часть воды остается и может быть удалена из него только при повышенной температуре. Это свидетельствует о химическом связывании воды с минералами, которые составляют цементный клинкер, в новые прочные соединения. Затвердевший цементный камень уже не размягчается водой. Это важнейшее свойство цементного камня позволяет широко применять цементы для строительства сооружений, непрерывно находящихся в воде или подвергающихся периодическому ее действию.

Как бы мы ни старались размочить цементный камень, ничего из этого не получится. Наоборот, в воде он приобретает еще большую прочность, чем на воздухе. 

Как же объясняет процессы затвердевания цементов современная наука? 

При действии воды на порошок цемента составные части его вступают в реакцию с водой. При этом процессе выделяется известь и образуются не растворимые в воде новые соединения, так называемые гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

Связав химически часть воды, новые соединения, обладая меньшей растворимостью, выпадают из раствора в виде мельчайших кристаллов, невидимых даже под обычным микроскопом. Эти кристаллы срастаются, переплетаясь между собой и образуя плотное камневидное тело.

Наиболее полную теорию твердения цементов создал русский ученый, академик А. А. Байков. Эта теория расширена и углублена в многочисленных работах советских ученых.

В настоящее время наиболее полные представления о процессах твердения цементов развиваются в работах академика П. А. Ребиндера и его учеников.

Вещества, образующиеся при взаимодействии цемента с водой, по своему кристаллическому строению близки к минералам, составляющим обычные горные породы, поэтому они хорошо сцепляются с их поверхностью.

Чтобы улучшить свойства цемента, к нему при помоле добавляют небольшие количества гипса. Хотя гипса добавляется всего 3-5%, его роль весьма существенна. Небольшая добавка гипса сильно влияет на сроки загустевания цементного теста - сроки его схватывания, удлиняя их до нескольких часов, что позволяет перевозить и укладывать бетонную смесь в конструкции. Кроме того, гипс увеличивает прочность и стойкость цемента. Происходит это потому, что гипс химически соединяется с наиболее слабой составной частью цемента - с трехкальциевым алюминатом, превращая его в более стойкое вещество.

Цементы без гипса или с малым его количеством часто загустевают уже во время перемешивания, и это создает неудобства при работе с цементом.

Сроки схватывания зависят и от температуры материалов для бетона и от температуры бетонной смеси после затворения. Чем выше температура, тем быстрее наступает загустевание. При температуре выше 60° обычно происходит быстрое схватывание большинства цементов. При температуре ниже 0° схватывание и твердение цементов прекращается.

Прочность бетона в наибольшей степени зависит от прочности цементного камня. В свою очередь прочность цементного камня в большой степени зависит от состава цемента, качества его обжига, тонкости измельчения и от количества воды, взятой для затворения. Чем больше воды взято на замес, тем меньше прочность цементного камня и, следовательно, бетона.

Изучение процессов твердения цементов показало, что при этом химически соединяется с цементом только 15-20% воды по отношению к весу цемента. Но в состав бетонной смеси приходится вводить большее количество воды для придания бетонной смеси подвижного удобоукладываемого состояния за счет образования подвижного цементного теста, которое смазывает поверхность песка и каменных материалов. Обычно в бетонной смеси отношение количества воды к весу цемента находится в пределах 45-65%. Излишек воды по сравнению с количеством, необходимым для химических реакций, раздвигает частицы песка и каменных материалов в составе бетона и увеличивает объем пустот в нем. Цементный клей становится разбавленным и прочность его понижается. Уменьшается и плотность бетона, а от плотности зависит долговечность бетона.

Для дорожного бетона допускается водоцементное отношение не более 0,50-0,55 в зависимости от климатических условий, в которых он будет работать.

Для уменьшения количества воды в составе бетонной смеси в нее может добавляться небольшое количество особых, так называемых поверхностно-активных веществ. Научные основы действия таких веществ разработаны в нашей стране академиком П. А. Ребиндером. Эти вещества, распределяясь по поверхности частиц цемента, покрывают их тончайшей пленкой, создают смазывающий слой; при этом увеличивается подвижность - пластичность бетонной смеси. Такие вещества называют пластификаторами. Пластификаторы добавляются в очень небольшом количестве - десятые доли процента от веса цемента, но, несмотря на это, действие их очень сильное.

В то время как в обычном цементном тесте отдельные частицы слиплись в крупные хлопья, с добавкой же пластификатора все эти частицы разделились и, таким образом, увеличилась пластичность теста.

В качестве пластификаторов применяется отход бумажного производства - сульфитно-спиртовая барда. Добавка пластификатора не только повышает пластичность бетонной смеси, но и улучшает технические свойства бетона, например его морозостойкость. Если при добавке пластификатора не увеличивать пластичность бетонной смеси, а сократить водоцементпое отношение, то можно увеличить прочность бетона или уменьшить расход цемента. Цементная промышленность выпускает пластифицированные цементы в массовом количестве.

Для бетонных дорожных покрытий важное значение имеет добавление в состав бетонной смеси веществ, которые повышают долговечность бетона. В условиях климата средней полосы и севера СССР основным фактором, вызывающим разрушение дорожного покрытия, является многократное замораживание бетона в то время, когда он насыщен водой. Улучшение морозостойкости делает бетон более долговечным. Необходимое повышение морозостойкости достигается введением в бетон очень маленьких количеств специальных веществ, обладающих способностью образовывать небольшие количества пены в составе бетонной смеси. Как ни удивительно, но оказывается, что бетон, который содержит в своем объеме небольшое количество пустот (4-5%) в виде мелких равномерно распределенных пузырьков воздуха, обладает в 2-3 раза большей морозостойкостью, чем обычный бетон. Количество вспенивающих веществ, называемых воздухововлекающими добавками, составляет всего несколько сотых процента от веса цемента. В качестве таких добавок применяется обычно канифольное мыло (промышленное название - абиетиновая смола).

Воздухововлекающие добавки должны найти широкое применение в дорожном строительстве, так как позволят значительно повысить долговечность бетонных дорожных покрытий.

Среди специальных цементов, обладающих важными свойствами, следует отметить разработанный советскими учеными (М. И. Хигеровичем и Б. Г. Скрамтаевым) гидрофобный цемент. Само название цемента говорит о том, что это цемент, который боится воды. 

Как же так цемент, который должен соединяться с водой, и вдруг боится воды? 

Гидрофобный цемент получается путем добавления к цементу при помоле небольшого количества веществ, которые не смачиваются водой. На поверхности частиц цемента образуется тонкая молекулярная пленка такого вещества. Гидрофобный цемент, находясь даже во влажном воздухе, не теряет своей активности. Он гораздо устойчивее к длительному хранению, чем обычный портланд-цемент. Когда же в составе бетонной смеси гидрофобный цемент попадает в бетономешалку, то под действием трения о частицы песка и щебня жировая пленка на его поверхности прорывается, и он смачивается водой. Гидрофобный цемент придает бетону повышенную морозостойкость по сравнению с обычным портланд-цементом. Так же как и пластифицированный цемент, гидрофобный цемент является улучшенной разновидностью портланд-цемента.

На основе портланд-цементного клинкера выпускается целый ряд цементов с добавками. В зависимости от вида добавки изменяется и название цемента. Если портланд-цемент смешивается с доменными шлаками, то такой цемент называют шлакопортланд-цементом. Если в качестве добавки используются природные материалы, обладающие способностью химически соединяться с известью (так называемые пуццоланы), то такие цементы называются пуццолановыми портланд-цементами. И шлакопортланд-цемент и пуццолановый портланд-цемент обладают более медленным твердением по сравнению с портланд-цементом и менее морозостойки, поэтому их применение для дорожных покрытий не допускается. Они могут быть использованы для подводных и подземных сооружений и для конструкций, повергающихся обычным ятмосферным воздействиям.

Из специальных цемепов представляет интерес глиноземистый цемент. Он отличается большой скоростью твердения. Этот цемент полностью затвердевает в течение трех суток, приобретая за это время полную прочность. Однако такое быстрое твердение сопровождается большим выделением тепла, способным привести к растрескиванию конструкций в результате неравномерного нагрева. Кроме этого, высокая температура (выше 25°) нарушает процесс твердения глиноземистого цемента; образующиеся при этом неустойчивые соединения снижают прочность и долговечность бетона.

Глиноземистый цемент применяют в тех случаях, когда нужно быстро восстановить или забетонировать какую-нибудь конструкцию. Этот цемент применим только для тонкостенных сооружений. Его применение ограничено из-за большой стоимости (в 2 раза более высокой, чем портланд-цемент) и дефицитности сырья для его приготовления.

Одним из серьезных недостатков портланд-цемента является усадка, т. е. уменьшение размеров изготовленных на нем бетонных конструкций при нахождении их на воздухе. В последнее время созданы цементы, не обладающие этим недостатком и даже расширяющиеся в процессе твердения. В СССР такой цемент был разработан группой ученых под руководством В. В. Михайлова и Б. Г. Скрамтаева.

Расширяющийся цемент характеризуется увеличением объема в первые часы и сутки твердения. Если изготовить из расширяющегося цемента изделие длиной в 1 метр, то через трое суток оно удлинится на 15 миллиметров. Дорожное покрытие из такого цемента на третьи сутки дало бы увеличение длины на 15 метров на каждый километр. Этот цемент как бы растет при затвердевании. Такое замечательное свойство расширяющегося цемента позволяет использовать его с наибольшим успехом для заделки швов в различных сооружениях. В частности, расширяющийся цемент применяется для уплотнения швов между тюбингами в тоннелях московского метро. Расширяющийся цемент находит применение для ремонта конструкций, когда важно обеспечить плотное прилегание их частей. Недостаточная морозостойкость бетона на таком цементе не позволяет применять его для сооружений, к которым предъявляются требования высокой морозостойкости.

Есть и другие виды специальных цементов: магнезиальный, кислотостойкий и др. Их описание читатель найдет в специальных руководствах.

Для строительства дорожных покрытий обычно применяется портланд-цемент. Однако необходимо, чтобы этот цемент обладал высокой прочностью, небольшой изнашиваемостью, высокой стойкостью к воздействию атмосферных условий (морозостойкостью) и хорошей устойчивостью к переменам температуры. Не все заводы выпускают портланд-цементы, удовлетворяющие этим требованиям. Технические условия на цемент для дорожного строительства предусматривают ограничение содержания (до 9%) в цементе неустойчивого минерала, о котором мы уже упоминали выше, - трехкальциевого алюмината. Марка дорожного цемента должна быть не ниже 500.

Для растворов каменной кладки должны и могут успешно применяться цементы на местных материалах: извести, шлаках, гипсе. Производство таких цементов с использованием в качестве активной составляющей молотой извести-кипелки развивается в нашей стране на основе предложений И. В. Смирнова и разработанной им совместно с Б. В. Осиным теории. Такие цементы значительно дешевле, чем обычный портланд-цемент, и обладают необходимыми строительными качествами.

Применение извести-кипелки внесло переворот в технику использования извести. Активная энергия, заключенная в обожженной извести и терявшаяся прежде во время гашения, теперь используется при ее твердении.