Если посмотреть на масштабы использования цементных растворов в строительстве, создается впечатление, что такой материал был разработан несколько тысяч лет назад. Однако по-настоящему качественная технология производства и правильный состав были получены буквально недавно. Строителям важно знать, из чего делают цемент и в чем секрет изготовления качественного и долговечного сырья.
Типы вяжущих составов
Для соединения камней, из которых возводились доисторические постройки, использовалась глина. Но такое связующее вещество не поддавалось технологии обжига, поэтому большинство помещений были разрушены под воздействием эрозии, возраста и других факторов. Единственные дошедшие до нынешнего времени дома обрабатывались известковым раствором.
Еще много сотен лет назад люди дошли до мнения, что обожженный и измельченный оксид кальция, более известный как известняк, при контакте с водой начинает затвердевать, поглощая газ из воздуха, а затем становиться камнем. Из минусов подобного материала выделяют низкую устойчивость к воздействию влаги, поэтому такой вариант может быть актуальным только при производстве силикатных кирпичей.
Существует еще один тип вяжущего сырья, способного достигать высоких прочностных свойств при воздействии воздуха — гипс. Его производят посредством тепловой обработки и последующего размола природного гипсового камня (CaSO 4−2 H 2) или ангидрида CaSCu.
Гипсовые составы отличаются богатой историей применения и не теряют своей популярности до нынешнего времени. В качестве наиболее ярких примеров использования такого материала — роскошная лепнина и украшения, хорошо сохранившиеся до сегодняшнего времени.
Что касается воздушных веществ, то они могут применяться только там, где постройкам не грозит повышенная влага. В противном случае необходимо добавлять в состав гидрофобизирующие добавки или заниматься обустройством гидроизоляционного слоя. Из-за этого недостатка строители отдают предпочтение гидравлическим вяжущим растворам.
В их числе — составы, создающие гидратные соединения, способные набирать прочность в условиях повышенной влажности. При этом воздействие воды никак не грозит таким изделиям и не вызывает их деформацию.
Растворы для возведения водостойких построек создаются из гидравлической извести, которая включает в себя осадочные известковые породы — мергели, а также портландцемент. Последний компонент делает конечное изделие монолитным, гарантируя отличные прочностные свойства. Известковые варианты актуальны лишь для тех условий эксплуатации, где отсутствуют интенсивные нагрузки.
Немного истории
В поисках эффективного способа борьбы с низкой влагостойкости извести и гипса предки шли на самые смелые меры. Появление цемента произошло в результате смешивания разных минеральных веществ с водоотталкивающими характеристиками в известковые растворы. Зачастую в состав добавляли дробленные, битые кирпичи из обожженной глины и даже породу вулканического происхождения. К примеру, строители Древнего Рима делали цемент с добавками отложений пепла из вулкана Везувий.
В течение долгих лет проводились различные эксперименты, ведь спрос на доступное и надежное вяжущее вещество постоянно поднимался. Работа продолжалась до тех пор, пока строители не выработали адекватную технологию и не подобрали правильный химический состав цемента.
Значительный вклад в опыты внес военный техник из России Егор Челиев. Ему принадлежит научная работа о цементе для подводного строительства (1825 год). Также над появлением нынешнего рецепта цементного раствора трудился английских ученый Джон Аспдин, который запатентовал понятие «портландцемент». Название происходит от острова Портленд, размещенного в проливе Ла-Манш и состоящего из известковой породы.
В те времена, порода, добытая на этом острове, пользовалась большим почетом и считалась одним из наиболее престижных стройматериалов в Британии. Интересный факт: технология русского техника Челиева максимально приближена к той, что используется в современном портландцементе, а вариант Аспдина создавался без применения технологии спекания исходного сырья.
Технология производства
Современные производители цемента могут изготавливать его по разному рецепту, но общая технология производства остается одинаковой для всех марок. Основные отличия заключаются в разном исходном сырье вяжущей добавки, а весь остальной технологический процесс идентичный.
Его можно разделить на несколько стадий:
Первый этап — приготовление исходного сырья. Процедура подразумевает продолжительное измельчение известковых камней и глины, а затем смешивание компонентов в правильной пропорции. Зачастую состав цементного раствора включает в себя 3 части известняка и одну часть глины. Также в нем может присутствовать мергель, который является осадочной горной породой.- Второй этап — обжиг состава и подготовка клинкера. Исходный раствор помещается в специальный резервуар и обрабатывается под воздействием высокой температуры. Ее значение может достигать 1500 градусов Цельсия. В такой среде шлам успешно обжигается, становясь клинкером. Затем его измельчают с помощью специальных жернов до порошкообразного состояния.
- Третий, последний этап — соединение всех частей для производства портландцемента. Измельченный клинкер разбавляется гипсом в пропорции 5%, а также дополнительными минеральными компонентами.
Обзор каждого этапа
На первом этапе используется один из двух способов получения смеси — «сухой» и «мокрый». При повышенной влажности компонентов, глина и мел начинают растворяться. Чтобы удалить воду, используется технология сильного нагрева воды. В результате образуется особая смесь с мелкими частицами. «Мокрый» метод не пользуется большой популярностью ввиду своей дороговизны. Более оптимальное решение — «сухая» обработка. Она не требует кипячения сырьевой суспензии, а для измельчения раствора используется механическая технология.
Обработка сырьевого шлама методом обжига происходит в специальной цилиндровой печи. Ее диаметр составляет от 5 метров, а длина — до 200 м. Резервуар находится под небольшим уклоном, что обеспечивает свободное перемещение сырья. Под воздействием высокой температуры формируются окатанные гранулы, известные как клинкер.
После комплексного обжига готовый продукт остужается и выдерживается в течение двух недель перед окончательным измельчением. В конечном итоге его измельчают и размешивают с гипсом, что создает требуемую плотность цемента. На этом этапе происходит конечное формирование состава материала и его других свойств, включая удельный вес цемента, показатели прочности и другие характеристики.
Химическая основа
При выборе строительного материала многих покупателей интересует значение маркировки цемента. Расшифровка имеющихся показателей не занимает много времени и под силу даже начинающему строителю.
В зависимости от марки, портландцемент может обладать разной химической основой, которая обязательно включает в себя такие минеральные компоненты:
Алит — является 3-кальциевым силикатом, занимающим 50−60% от общей доли клинкера. В молекулярной решетке этого сырья присутствуют ионы марганца, железа и алюминия, что гарантирует высокую прочность готового изделия из бетонной или растворной смеси.- Белит — 2-кальциевый силикат, которому принадлежит 15−30% состава клинкера. Его задача заключается в обеспечении прочности в более поздние сроки.
- Алюминатная фаза — 3-кальциевый алюминат, пропорцией 5−10%. Минерал характеризуется быстрой реакцией с водой, поэтому его разбавляют гипсом.
- Ферритная фаза — 4-кальциевый алюмоферрит. Доля этого минерала в химической основе цемента не превышает 5−15%.
При изменении пропорций этих фаз допустимо менять свойства конечной цементной смеси. Это может принести огромную пользу при отслеживании конкретной задачи.
Существующие разновидности
На рынке строительных материалов предлагается несколько разновидностей цемента. В качестве примера можно рассмотреть шлакопортландцемент, который создается посредством добавления к известному портландцементу шлака в гранулированном состоянии. Последний компонент получается в результате выплавки чугунных слитков в доменных печах. Стоят такие стройматериалы дешевле остальных, а их состав гарантирует высокую водостойкость постройки.
Популярным типом цемента является быстротвердеющий материал. В его составе присутствует большое содержание алита и алюминатной фазы. Также клинкер характеризуется мелким помолом, что сокращает сроки набора необходимых прочностных показателей.
Сульфатостойкие марки портландцемента эффективны при проведении подводных работ, возведении гидротехнических сооружений или других задачах, когда необходимо защитить объект от сульфатной коррозии. В исходном сырье такого материала минимизировано содержание 3-кальциевого алюмината и белита.
Модели с низким тепловыделением при наборе прочности задействуются для возведения массивных и объемных конструкций, которые поддаются повреждениям и трещинам во время экзотермической реакции набора прочности. Такие материалы напоминают по составу сульфатостойкий цемент.
Продукция, в основе которой лежит белый цемент, характеризуется повышенными эстетическими свойствами. Если исходное сырье состоит из окисей железа и марганца, это способствует появлению характерного серо-зеленого оттенка, что недопустимо в белом цементе. Для устранения проблемы клинкер создается из светлых, каолиновых глиняных сортов.
Есть множество других типов цементных растворов, которые могут демонстрировать следующие характеристики:
Гидрофобность.- Водонепроницаемость.
- Пластифицируемость.
Также на рынке доступны глиноземистые, пластифицированные, песчанистые и многие другие вяжущие составы.
Прочностные показатели
Одним из наиболее важных показателей хорошего качества такого строительного материала является прочность конечного сооружения, построенного на его основе. ГОСТ предусматривает ряд значений, которые определяются соответствующей маркировкой. Цифра указывает на прочностной предел, устойчивость к удельным нагрузкам и другие характеристики цемента. Если материал соответствует марке М400, это значит, что при проведении проверки на прочность образцы выдержали нагрузку в 400 кг/см2.
В результате лабораторных исследований удалось доказать, что минеральный состав исходного сырья является ключевым фактором, определяющим прочность цементного раствора или бетона. При грамотном подборе основных элементов можно подготовить правильную пропорцию и найти оптимальную середину между скоростью набора прочности, а также конечной величиной и устойчивостью к нагрузкам. Со временем прочность только усиливается. С помощью цемента марки М500 можно сделать высокопрочные балки и плиты, выдерживающие внушительные нагрузки.
В настоящее время существует большое разнообразие цементных и бетонных растворов, которые могут обладать разной классификацией и свойствами. В большинстве случаев выбор подходящего сырья для производства такого материала определяется экономическим фактором, ведь производителю важно сделать цемент максимально доступным и качественным.
И чтобы не ошибиться с выбором подходящей продукции, нужно взвесить массу особенностей, а также ознакомиться с основными свойствами столь важного строительного продукта. Также важно знать, из чего состоит цемент, какие бывают типы, что может означать маркировка на мешке. Совершая покупку, следует определить, для каких целей она предназначается, какими свойствами должен обладать цементный раствор. Лучше десять раз отмерить, а затем раз отрезать, нежели потом жалеть о неправильном подборе составляющих для строительства.
