Что такое цемент

Что такое цемент?

В строительном деле успех всегда зависит от прочности возводимой постройки. Чем прочнее будут скреплены отдельные кирпичи или камни, тем прочнее станет и иен кладка. Прочнее кладка – значит, и стоны можно сделать потоньше, затратить на них меньше материалов и вяжущего раствора. Быстрее затвердеет раствор – скорее будет закончена стройка.

Для получения простейшего вяжущего вещества брали куски известняка и в течение нескольких часов прожаривали их в горячем пламени.
Полученный материал заливали водой и получали гашеную известь. Добавив в нее носок и воду, изготавливали пастообразный вяжущий раствор. На таком растворе возведены почти все постройки раннего средневековья, как на Западе, так и на Востоке.

Однако раствор из песка и гашеной извести имел один существенный недостаток – он очень медленно твердел. Бывали случаи, когда приходилось ждать по нескольку лет, прежде чем стены приобретут необходимую прочность.

Кроме того, известь была непригодна для использования в сырых местах, поскольку вода могла ее размягчить. Поэтому было предпринято немало попыток увеличить прочность известкового раствора. В странах Востока в раствор добавляли верблюжье молоко, а на Руси – творог, отруби или яичные желтки.

Одновременно строители искали новые, более прочные вяжущие вещества. И, как это часто бывает, неустанные поиски привели к открытию.
При гашении извести часто бывало так, что в ней оставались твердые комья, упорно не желавшие гаситься. Долгое время их просто выбрасывали, но однажды попробовали размолоть в порошок. Оказалось, что этот порошок – прекрасное вяжущее вещество. Оно оказалось прочнее извести и гораздо быстрее твердело. Но главным его свойством оказалась невозможность взаимодействия вещества с водой. Этому материалу и дали имя цемент.
Позже химики установили, что при соединении цемента с водой образуется своего рода клей. В течение нескольких часов он превращается в кристаллы, а через 3-4 недоли становится очень прочным и твердым.

Меняя соотношение воды и компонентой, входящих в цемент, можно получать цемент различной прочности, что создало практически неограниченные возможности для бетонного строительства.

Почему цемент затвердевает?

Цемент — один из наиболее распространенных материалов в современном строительстве. Сам по себе он мелкий порошок. Но если его смешать с водой и дать затвердеть, он вместе с песком и гравием превращается в твердое, прочное вещество.

Цемент — главное составляющее вещество строительного раствора и бетона. Строительный раствор — это смесь цемента, песка и воды. Бетон — это та же самая смесь, но с добавлением гравия или измельченного камня.

Современный цемент производится путем нагревания известняка и глины или шлака до очень высокой температуры. Эта смесь нагревается до тех пор, пока не образовываются большие, спекшиеся куски. Их называют клинкерами. Клинкеры размалывают затем в порошок.

Когда вода добавляется к цементному порошку, происходят сложные химические реакции. В результате образуется стойкий искусственный камень, нерастворимый в воде.

Какая химическая реакция происходит, чтобы цемент затвердел?

У химиков нет точного ответа на этот вопрос. В состав цемента входит четыре компонента. Считают, что каждый из этих компонентов при добавлении воды превращается в кристаллы. Эти кристаллы сцепляются между собой, и цемент затвердевает.

Вид цемента, который затвердевает под водой, называется гидравлическим цементом. Удивительно то, что римляне открыли процесс получения гидравлического цемента в III—II веке до н.э. Они делали такой цемент путем смешивания вулканического пепла с известью. Это открытие было одним из выдающихся достижений римлян.

Получение. Сырьем для получения цементов служат прир. материалы (известковые, глинистые, мергелистые, гипсовые, глиноземистые породы) и пром. отходы (металлургич. и топливные шлаки, золы от сжигания углей, белитовый шлам, отходы от переработки нефелиновых пород и др.).
Произ-во цементов включает приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, их тонкий помол, перемешивание, корректировка хим. состава смеси), обжиг сырьевой смеси, тонкий помол обожженного продукта (клинкера) до порошкообразного состояния вместе с небольшим кол-вом гипса, активными (шлак, зола, гемза) и неактивными при взаимод. с водой (кварц, карбонатные породы) минер. добавками и др. в-вами, придающими цементам нужные св-ва (напр., пластификаторы, гидрофобные добавки).
В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинир. способы произ-ва. При сухом способе сырье (известняк и глина) в процессе дробления и помола в мельницах высушивается и превращается в сырьевую муку, после чего мука поступает на обжиг. При мокром способе помол сырьевых компонентов осуществляют в мельницах в присут. воды, к-рую вводят для понижения твердости, интенсификации процесса помола и уменьшения удельного расхода энергии. Влажность сырьевой смеси (шлама), поступающего на обжиг, при мокром помоле составляет 34-43% по массе, для снижения влажности шлама к сырьевой смеси добавляют сульфитно-дрожжевую бражку, триполифосфат Na или ПАВ. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по предыдущей схеме, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется в гранулы и поступает на обжиг.
Обжиг сырьевой смеси осуществляют при 1450 °С во вращающихся (редко шахтных) печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр, в загрузочную часть к-рого подается сырьевая смесь, а со стороны выгрузки (головки) печи через форсунку – топливо (см. Печи). Сырьевая смесь движется по направлению к головке печи, подвергаясь действию нагретых топочных газов. Вращающуюся печь условно разделяют на неск. технол. зон. В зоне сушки под действием отходящих топочных газов сырьевая смесь подсушивается, в зоне подогрева нагревается до 500-600 °С и переходит в зону кальцинирования (900-1200 °С), в к-рой происходит разложение СаСО₃. Получающийся СаО в твердом состоянии взаимод. с составными частями глины и железистого компонента с образованием в экзотермич. зоне 2CaO x SiO₂, 5СаО x 3А1₂О₃, 3СаО x А1₂O₃, 4CaO x Al₂O₃ x Fe₂O₃, 2CaO x Fe₂O₃, а также СаО, MgO и др. оксидов.
В зоне спекания при т-ре 1450 °С обжигаемый материал (клинкер) частично плавится, в этой зоне образуется главный минерал клинкера ЗСаО x SiO₂. При дальнейшем прохождении по печи клинкер попадает в зону охлаждения (т-ра 1000-1200 °С). Холодный клинкер дробят и тонко измельчают вместе с гипсом и др. добавками в барабанных шаровых мельницах, а затем транспортируют в железобетонные цилиндрич. емкости – т. наз. цементные силосы.

Свойства. При взаимод. цементов с водой – гидратации, затворении – первоначально образуется пластичное цементное тесто, к-рое со временем на воздухе или в воде уплотняется, теряет пластичность и превращается в т. наз. цементный камень. Безводные минералы клинкера превращаются при этом в соответствующие гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты(III) Са, напр.:

Образовавшийся Са(ОН)₂ под действием СО₂ воздуха постепенно превращается в СаСО₃, гидроалюминаты Са с гипсом в присут. воды дают двойные основные сульфаты, напр. Са₆А1₂(ОН)₁₂(SО₄)₃ x26Н₂О и Ca₄Al₂(OH)₁₂SO₄ x6H₂O. При получении бетона образовавшийся Са(ОН)₂ с СО₂ воздуха и SiO₂ превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов Са.

3.1. Что такое цемент и его виды

В XIX веке англичанин Аспдин на дороге, проходящей по мергелю, вблизи города Портленд, собрал дорожную пыль, сделал брикеты и обжог. Это и был первый портландцемент, и под этим названием Аспдин его запатентовал.
Цементные заводы имеют, как правило, собственные карьеры известняка и глины. Это позволяет выдерживать химический состав шихты с точностью до 0,1% , что очень важно для качества цемента.
Обжиг шихты приводится во вращающихся печах, диаметром от 3,6 до 7 м и длиной 100 – 150 м. В зоне спекания поддерживается температура 1450 С0.
Продуктом спекания является клинкер, представляющий собой округлые гранулы диаметром 5 – 100 мм.
Клинкер размалывается в шаровых мельницах до удельной поверхности 3000 см квадратных на 1 грамм. При помоле обязательно добавляется 5% двуводного гипса. Гипс выполняет роль регулятора сроков схватывания.

Без гипса получается, так называемый, быстряк. Такой цемент схватывается мгновенно, и из него невозможно приготовить тесто.
Все минералы клинкера взаимодействуют с водой с образованием новых соединений, называемых, гидратами. Гидраты образуют пространственную структуру, которая и создает цементный камень. Именно поэтому, если при изготовлении пенобетона, для приготовления смеси взять 400 кг цемента получится пенобетон большей плотности!
Цемент применяют для кладки кирпича, фундамента и др. Его используют для получения бетона, а бетон, в свою очередь, для получения железобетона. Железобетон используют в строительстве жилых домов, зданий и других сооружений, так как он обладает особой прочностью. Подтверждением этому служит “Останкинская телебашня”, которая сделана из железобетона. Все эти материалы нашли широкое применение в строительстве в настоящее время. Без них мы не можем представить себе современное сооружение.
Среди строительных материалов цементу принадлежит ведущее место. В современной строительной практике, роль цемента в выпуске новых прогрессивных материалов и изделий для полносборного домостроения, постоянно возрастает. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и др. Крупными потребителями цемента являются нефтяная и газовая промышленность. Цемент и, получаемые на его основе, прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.

Рассмотрим основные виды цемента: Портландцемент
Вид цемента, получивший наибольшее распространение. Это порошок тонкого помола, получаемый в результате обжига до спекания известняково-глинистой смеси (клинкер) и последующего ее помола в тонкий порошок. Обычно, его выпускают в смеси с активными добавками, количество и вид которых может меняться, в зависимости от назначения портландцемента (например, гипса).