Якщо судити за масштабами застосування в будівництві розчинів і бетонів на основі мінеральних в`яжучих, здається, що історія штучних каменів на основі цементів налічує довгі століття. Але по-справжньому відпрацьована технологія виробництва і оптимальний склад цементу стали відомі менше двох століть назад.
винахід каменю
Камені будинків доісторичного часу скріплювалися в стіні за допомогою глини, але зберегтися без випалу вони не могли, і найдавніші споруди, що дійшли до нас, були зведені із застосуванням вапняного розчину. Обпалений і розмелений вапняк (оксид кальцію - Ca (OH) ) після змішування з водою твердне, поглинаючи з повітря вуглекислий газ, а потім знову перетворюється в камінь. Основний недолік вапняного в`яжучого - низька вологостійкість, тому сьогодні він застосовується більше при виготовленні силікатної цегли.
Інший вид повітряного мінерального в`яжучого (тобто набирає міцність на повітрі) - гіпс. Він виходить при тепловій обробці і наступному розмелі природного гіпсового каменю (CaSO4-2H2O) або природного ангідриду (CaSCu). Гіпсове в`язке має величезну історію застосування з найдавнішого часу до сьогоднішніх днів. Найяскравіші приклади - розкішні ліпні та скульптурні прикраси, листові матеріали (ГВЛ, ГКЛ) для сухих методів будівництва та оздоблення.
Гідравлічні в`яжучі речовини
Область застосування повітряних в`яжучих обмежена тими місцями, де готові конструкції не піддаються впливу вологи, в іншому випадку доводиться застосовувати гідрофобізуючі (водовідштовхувальні) добавки або проводити гідроізоляційні заходи, тому застосування гідравлічних в`яжучих більш зручно і поширене ширше.
До них відносяться речовини, що утворюють гідратів (молекула води входить в кристалічну решітку як складова частина) з`єднання, коли перетворення в камневидное тіло і подальший набір міцності можуть відбуватися у вологому середовищі, а вплив води в ході експлуатації конструкцій не приводить до їх руйнування.
Розчини та бетони для виконання водостійких конструкцій готують на основі гідравлічного вапна (з осадових вапнякових порід особливого складу - мергелів) і портландцементу, причому саме останній надає монолітним і збірним елементам будівлі необхідну міцність, а вапняні розчини застосовуються там, де навантаження мінімальні.
Історія цементу
Спроби подолати низьку водостійкість вапняних і гіпсових складів робилися з найдавніших часів. Цемент (caementum в перекладі з латині - подрібнений, битий камінь) з`явився шляхом додавання в вапно різних мінеральних речовин, володіли гідрофобними властивостями. Для цього використовували подрібнені залишки цегли з обпаленої глини, різні вулканічні породи. Так, до складу цементу, який застосовувався будівельниками Стародавнього Риму, входили пуцолани - відкладення попелу знаменитого вулкана Везувію.
Експерименти тривали довгі століття, поки потреба у великій кількості міцного і недорогого в`язкої речовини не змусила будівельників виробити оптимальну технологію по його виробництву. Вирішальний внесок у такі дослідження внесли російський військовий технік Єгор Челиев, що видав книгу про цемент для підводних робіт (1825), і муляр з англійської Лідса Джон Аспдін, який отримав патент на портландцемент (1824). Ця назва походить від англійського острова Портленд, розташованого в протоці Ла-Манш і складається з вапняних порід. Камені з кар`єру, що знаходиться на цьому острові, вважалися найпрестижнішим будівельним матеріалом в Англії. Отриманий Аспдін штучний камінь був дуже схожий на нього кольором і міцністю.
Цікаво, що технологія Челиев більш відповідає тому, що тепер називається портландцементом, а цемент Аспдін виготовлявся без прийнятого зараз спікання вихідної сировини.
Технологія виробництва
Цементне терпке у різних виробників може відрізнятись вихідною сировиною, але основні технологічні операції ідентичні. Перша стадія - підготовка вихідного мінеральної сировини, т. Е. Кілька стадій роздрібнення вапняних каменів і глини, змішування цих компонентів в потрібних пропорціях. З чого складається цемент? Зазвичай це 3 вагових частини вапняку і 1 частина глини. Іноді використовується осадова гірська порода - мергель, де дані компоненти містяться в потрібній пропорції.
"Сухий" і "мокрий" спосіб
Існує два способи отримання потрібного стану суміші: "сухий" і "мокрий". Якщо вологість компонентів висока, глина і м`який вапняк (крейда) розчиняються у воді, потім з цієї суспензії, званої сировинним шламом, вода сильним нагріванням (випаровуванням) видаляється. Виходить рівномірна тонкоподрібненого суміш. Більш економічний спосіб - "сухий", де немає стадії доведення шламу до кипіння, а суміш подрібнюється механічним способом.
Далі в обертових печах - циліндрах діаметром близько 5 м, довжиною близько 200 м, що мають ухил для переміщення сировинної маси в процесі випалу, відбувається утворення клінкеру - окатанних гранул, що з`являються в процесі спікання суміші при температурі 1450 С в результаті фізичних і хімічних взаємодій.
Клінкер охолоджується і витримується до двох тижнів перед остаточною операцією - спільним подрібненням з певною кількістю гіпсу, який додається для уповільнення процесу схоплювання. Тут остаточно формується склад цементу, на цій же стадії вводяться різні мінеральні добавки, що додають в`язкому потрібні специфічні властивості.
Хімічна основа
Необхідні властивості самого популярного в`яжучого визначає хімічний склад цементу. В результаті технологічної обробки сировини клінкер стає з`єднанням різних хімічних речовин у вигляді чотирьох основних мінералів:
- Алит - трехкальциевого силікат - становить більшу частину клінкеру - 50-60%. Присутність в молекулярної решітці іонів марганцю, алюмінію і железаопределяет міцність готової розчинної або бетонної суміші, що набирає в плині перших 28 діб.
- Білить - двухкальціевий силікат - становить 15-30%, і він - основа міцності, що набирає конструкцією в більш пізні терміни.
- Алюмінатних фаза - трехкальциевого алюмінат - 5-10%. Швидка реакція алюмината з водою і можливе занадто швидке схоплювання вимагають введення гіпсу, що уповільнює цей процес.
- Феритної фаза - чотирьохкальцієвого алюмоферріт - 5-15%
Змінюючи процентний склад цих фаз, вводячи додаткові компоненти, можна виробляти цемент, склад і властивості якого будуть найкращим чином відповідати конкретної ситуації в ході будівництва.
види цементу
Шлакопортландцемент виходить при додаванні до портландцементного клінкеру гранульованого шлаку - побічний продукт виплавки чавуну в доменних печах. Застосування шлаку знижує вартість, а склад цементу, виробленого за такою технологією, надає конструкціям, виконаним на його основі, підвищену стійкість до впливу води з насиченим мінеральним складом, наприклад, морський.
Швидкотвердіючий - це цемент з переважанням в клінкері Аліта і алюмінатних фази, відрізняється особливо тонким помелом - все це прискорює набір міцності.
Сульфатостійкий портландцемент застосовується для гідроспоруд, підводні частини яких піддаються постійному впливу речовин, що викликають сульфатну корозію. З чого складається цемент, призначений для таких відповідальних конструкцій? У клінкерній сировину до мінімуму зведено присутність трехкальциевого алюмінату і Беліта.
Портландцемент зі зниженим тепловиділенням при наборі міцності необхідний для виготовлення конструкцій великої маси і об`єму, коли тепло, що виділяється екзотермічної реакцією твердіння, може привести до утворення тріщин. Склад такого цементу схожий на сульфатостойкий.
білий цемент
Вироби, виконані з використанням білого цементу, мають підвищені естетичними якостями. Присутність у вихідній сировині окису заліза і окису марганцю надає готовому порошку характерний сіро-зелений колір, відповідно, склад білого цементу передбачає мінімальну присутність таких солей і використання для вихідної сировини світлих, каолінових сортів глини.
Існує ще багато видів цементного в`яжучого, що володіє спеціальними якостями: гідрофобний, глиноземистий, водонепроникний розширюється, напружує, пластифікований, піщанистий і т. Д.
Склад і міцність
Найважливішим показником якості цементу є міцність виробів, виготовлених на його основі. ГОСТом встановлені необхідні показники, які позначаються особливою маркуванням. цифра означає межа міцності на вигин і стиск при лабораторних випробуваннях стандартних зразків, на стійкість до навантажень яких впливає і склад цементу. М400 означає, що зразки витримали навантаження в 400 кг / смsup2- (або 40 МПа).
Дослідження показують, що мінеральний склад вихідної сировини - найважливіший фактор, що впливає на міцність цементних розчинів і бетонів. Правильний підбір компонентів дозволяє знайти потрібну пропорцію між швидкістю набору міцності і кінцевою величиною стійкості до навантажень, яка тільки збільшується з плином часу. Склад цементу М500 дозволяє створювати балки і плити, здатні витримувати колосальні навантаження.
Сьогодні в світі виробляється величезна кількість цементу самої різної якості. Вибір сировини для нього часто визначається економічними факторами, і при правильному ставленні до будівельного процесу слід знати, з чого складається цемент, який буде використовуватися, щоб зробити правильний вибір і бути впевненим в міцності і довговічності майбутнього будинку.
