Цемент представляет собой тонкоразмолотый минеральный порошок, способный при смешении с водой образовывать пластичную массу, с течением времени затвердевающую в камневидное тело.
Наиболее распространенный цемент, называемый портландцементом, 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 цементообжигательная 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 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.
В приведенной таблице дается краткий перечень важнейших цементов с указанием их назначения, особенностей и области применения.
|
Наименование цемента |
Основные свойства |
Где применяется |
|
Портланд-цемент |
Цементное тесто, растворы и бетоны способны затвердевать под водой. Основную прочность приобретает за месяц твердения. |
В дорожных, гидротехнических и промышленных сооружениях, в конструкциях, подверженных действию атмосферных условий. |
|
Портланд-цемент с гидравлическими добавками (пуццолановый портланд-цемент) |
Твердеет более медленно, чем портланд-цемент. Бетон на этом цементе более водоустойчив и плотен, но легче разрушается от действия мороза. |
В подводных и подземных частях гидротехнических сооружений, мостов, труб и др. |
|
Шлаковый портланд-цемент (шлакопортланд-цемент) |
Те же свойства, что и у пуццоланового портланд-цемента. |
Там же, где портланд-цемент, атакже в обычных конструкциях промышленных сооружений. |
|
Пластифицированный портланд-цемент |
По сравнению с портланд-цементом дает более подвижные бетонные или растворные смеси. |
Там же, где и обычный портланд-цемент. |
|
Гидрофобный портланд-цемент |
Устойчив к хранению в сырых условиях. |
Там же, где и обычный портланд-цемент. |
|
Смешанные цементы (состоят из портланд-цемента и минеральных добавок или из местных вяжущих материалов: извести, шлаков) |
Имеют пониженную прочность и морозостойкость. |
Для строительных растворов и бетона невысокой прочности. |
|
Расширяющийся цемент |
Обладает способностью увеличивать объем при твердении. |
Для восстановления поврежденных железобетонных конструкций, для водонепроницаемых штукатурок. |
|
Глиноземистый цемент |
Быстро твердеет, выделяет большое количество тепла при твердении. Стоек в растворах гипса и других солей (кроме сернокислого натрия и щелочей). Не выдерживает температур выше 30° С при затворении и в первые сроки твердения. |
Для аварийных работ, в строительстве сооружений в агрессивных водах. |
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. 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.