Из чего делают строительный цемент. Вся правда о связующем звене: как и из чего делают цемент. Классификация цементных смесей

Самым распространенным скрепляющим материалом в строительстве является цемент, который изготавливается на основе магнезиальных или карбонатно-силикатных горных пород. Последняя разновидность занимает более 90% рынка и называется портландцементом. Процесс производства включает несколько этапов, ассортимент выпускаемых минеральных вяжущих материалов широкий, узнать по маркировке область применения порошка будет полезно каждому строителю.

Из чего делают цемент — основное сырье

Исходными материалами для производства служат твердые полезные ископаемые, вблизи которых и располагают цементные заводы. Используются при изготовлении клинкера — продукта совместного обжига горных пород — карбонатные камни и глины. Первая категория минеральных образований потребляется в большем количестве и представлена известняковыми разновидностями аморфной или кристаллической структуры, это:

• мел — мягкая горная порода белого цвета, состоит из карбоната кальция с примесью магния, оксидов металлов и зерен кварца;
• мергель — естественная смесь из 50-75% кальцитовых производных с 25-50% силикатных глинистых образований, хорошо подходит для производства ;
• ракушечник — это известняк из раковин морских животных, его метаморфизованная давлением при высокой температуре разновидность называется мрамором;
• доломит — помимо кальциевого карбоната СаСО3, имеет в составе магниевую составляющую: MgCO3.

Глинистые породы, привносящие в клинкер силикаты, это лесс, суглинки и глинистые сланцы. Для удешевления производства и придания цементу особых свойств в технологии используют легирующие добавки — глинозем, железо, кремний, отходы металлургических заводов.

Что такое цементный клинкер

Это продукт, полученный спеканием при температуре 1450°С двух горных пород: 75% известняка и 25% глины. Из обжиговой печи клинкер выходит в виде гранул Ø10-60 мм.

По химическому составу прокаленный щебень каждого из производителей может отличаться, приводится усредненный расклад в процентах:

• СаО — 67;
• SiO2 — 22;
• Al2O3 — 5;
• Fe2O3 — 3.

Щебень из печи — не единственный компонент в производстве портландцемента. Для замедления времени схватывания конечного продукта размол гранул до тонкодисперсного порошка производится с добавлением в клинкер до 6% сульфата кальция CaSO3, содержащегося в гипсе или гипсовом камне.

Измельчение ингредиентов осуществляется шаровыми мельницами с перекачиванием готового продукта в многотонные силосы пневматическим транспортом.

Изготовление цемента регламентируется государственными стандартами: ГОСТом 30515-2013 — общие техусловия, ГОСТами 10178-85 и 31108-2003 на строительные портландцементы. Для специальных видов разработаны отдельные нормативы.

Основные характеристики продукта

Показатели плотности цемента: насыпная — 900-1100 кг/м³, с уплотнением — 1400-1700. Значения истинного удельного веса достигают 3 т/м³. Существует несколько технических характеристик, по которым судят о качестве вяжущего порошка:

1. Тонина помола — определяет : чем меньше частички, тем большую поверхность в один слой они покрывают. Контрольные замеры выполняют рассеиванием на сите с ячейкой 80 мкм.
2. Водопотребность — количество влаги, необходимой для гидратации цемента и придания тесту пластичности. Излишняя вода в растворе приводит к образованию пор и трещин, снижению прочности.
3. Морозостойкость — способность изделий на основе цементного порошка выдерживать многократные заморозки и оттаивания без разрушения. Необходимого показателя добиваются специальными добавками при замешивании раствора.
4. Время схватывания — в зависимости от густоты замеса находится в диапазоне 0,7-10 часов. Показатель зависит и от количества гипса, добавляемого в клинкер при размоле.
5. Прочность определяется по разрушению образца, изготовленного из цемента от каждой партии выпущенного раствора. Возраст кубиков устанавливается стандартом — 28 дней.

На все отгружаемые цементным заводом объемы заполняют паспорта качества, в которые вносят перечисленные характеристики. Потребители самостоятельно проводят входной контроль, чтобы подтвердить добросовестность поставщика.

Что такое марка цемента

Прочностной характеристикой портландцемента является его марка, которая устанавливается по результатам испытаний кубических образцов с гранью 10 см на сжатие. Состав раствора для заполнения форм: на 1 часть вяжущего порошка 3 меры чистого кварцевого песка.

После добавления воды масса перемешивается и остается твердеть на 28 дней. Заливается одновременно 6-10 металлоформ.

Из них произвольно отбирается 6 образцов и раздавливается под прессом. Среднее арифметическое давление рассчитывается по 4 кубикам, разрушившимся под наибольшей нагрузкой. Значения, измеренные в кг/см², укажут на марку цемента по ГОСТ 10178-85. Отображение напряжения в метрической системе единиц выполняется по ГОСТ 31108-2003 в МПа. Здесь распределение осуществляется по классу прочности цемента.

Получается, что для оценки прочностной характеристики одновременно пользуются старой и новой классификациями. Цифровой ряд марок: М200, М300, М400, М500, М600. Соответствующие значения класса твердости: В15; В22,5; В32,5; В42,5; В52,5.

Маркировка

Приведенные обозначения прочностных показателей портландцемента — это только небольшая часть зашифрованной в полной маркировке информации о свойствах изготовленного цемента.

В условиях одновременного использования стандартов с прежними обозначениями и от 2003 г. многие коды несут идентичные сведения.

Производители цементов стараются донести информацию о качестве и свойствах продукции, применяя термины обоих стандартов.

Что обозначает маркировка цемента по виду добавок

Помимо основных компонентов, в состав вяжущего минерального вещества вводятся присадки, позволяющие применять цемент в бетонах специального назначения. Информация об особых свойствах закладывается в маркировку продукции. Буквами шифруются порошок и добавки:

• ПЦ — портландцемент без улучшающих присадок;
• ШПЦ — при размоле клинкера добавлен шлак в количестве ≥20%, продукт называется шлакопортландцементом;
• ППЦ — , используется при бетонировании в обводненных условиях (пуццоланы — это продукты деятельности вулканов: пепел, туфы, пемза);
• СПЦ, ССПЦ, ССШПЦ — сульфатостойкие вяжущие, противокоррозионные;
• Б — быстротвердеющий порошок;
• БЦ — ; клинкер для его производства изготавливают из каолина и светлых сортов известняка;
• Г — быстросхватывающийся глиноземистый порошок, сырьевыми составляющими для обжига являются карбонатные породы и бокситы;
• ГФ — гидрофобный цемент для бетонных изделий в воде;
• ПЛ — пластифицированный, обеспечивает удобство укладки раствора даже при низких температурах;
• ВРЦ — влагонепроницаемый расширяющийся цемент, твердеет в любой среде.

В маркировке ГОСТ 10178-85 количество добавок обозначается буквой и числом процентов: Д0, Д5, Д20. В конце шифра указывается стандарт, по которому изготовлен продукт. Пример: ПЦ 400-Д20-Б-ПЛ ГОСТ 10178-85 — портландцемент прочностью 400 кг/см² с добавками в количестве 20%, быстротвердеющий, пластифицированный.

Расшифровка маркировки цемента по новым нормативам

Кодирование информации о продукции по ГОСТ 31108-2003 основано на разделении видов цемента на 5 групп, обозначаемых римскими цифрами. Первые 3 буквы взяты из названия порошка — ЦЕМ.

У каждого объединения есть признаки, указывающие на особенности изготовления:

• I — портландцемент бездобавочный, состоит на 95-100% из цементного клинкера;
• II — эта группа подразделяется на подклассы А с добавками 6-20% и В — 21-35%. Здесь же находятся пуццолановые цементы, содержащие <20% пуццолана, и композитные, в которых присадки суммарно не превышают того же значения;
• III — шлакопортландцемент при содержании шлаков 36-65%;
• IV — пуццолановый цемент с добавкой 21-35%;
• V — композиционный порошок, включающий в состав 11-30% шлака и в тех же пределах пуццолан.

У каждой из присадок в обозначении своя буква: И — известняк, З — зола уноса, МК — микрокремнезем, К — композитная добавка, Г — глиеж, Ш — шлак, П — пуццолан. После следует цифра класса прочности, за ней буквы: Н — нормальное время твердения, Б — быстрое схватывание. Пример: шлакопортландцемент ЦЕМ III/А 32,5Н ГОСТ 31108-2003. Расшифровывается так: прочность цемента 32,5 МПа, он нормально-твердеющий, содержит 36-65% шлака.

Марки цемента и их применение

Используются портландцементы в соответствии с маркировкой, которая прямо указывает на особые условия, если они имеются. Для строительных работ при выборе марки обращают внимание на показатель класса прочности или марки цемента.

Действия по обустройству в зависимости от твердости вяжущего порошка:

• М200 — цемент предназначен для штукатурных работ, изготовления ;
• М300 — соответствует монолиту М200, применяется для бетонирования подстилающих поверхностей под фундаменты, заливки оснований под малоэтажные строения;
• М400 — строительство железобетонных сооружений прочностью М300, дорожных покрытий, тротуарной плитки, опорных конструкций;
• М500 — все виды наружных бетонных работ, изготовление аэродромных плит и гидротехнических сооружений из монолита М400.

Составы растворов могут различаться и задаются под условия возводимого объекта. Рецептура смесей определяется проектом.

Без этого материала невозможно представить современную строительную площадку. Цемент уже более ста лет позволяет сооружать крепчайшие конструкции, его используют для проведения ремонтных работ, с его помощью выполняют отделку помещений, но при этом мало кто задумывается, из чего делают цемент.

Итак, что такое цемент? Этот материал представляет собой порошок, в основу которого входят неорганические соединения. Взаимодействуя с водой, этот порошок начинает твердеть и приобретать прочность монолитного, крепкого материала, заполняя заранее приготовленную форму.

Реакция происходит при обеспечении достаточной влажности. После набора прочности, конструкции из цемента могут служить длительное время без изменения основных свойств. Заводы, занимающиеся производством данного материала, стараются располагать в непосредственной близости к источнику добычи сырья, так как объемы переработки и перевозки материалов для изготовления цемента достаточно высоки.

Чтобы понять, из чего состоит цемент, достаточно показать химический состав цемента, самого используемого в строительстве, — портландцемент. Его изготавливают, применяя следующие пропорции:

• оксид кальция – не менее 60%;
• диоксид кремния – не менее 20%;
• глинозем – не менее 4%;
• оксид железа – не менее 2%;
• оксид магния – не менее 1%.

Формулы других видов цемента схожи, корректируется лишь количество каждого ингредиента.

Основные характеристики цемента

Строительные материалы, в том числе и цемент, чаще всего проверяют на соответствие следующим характеристикам:

• Прочность. Для проверки данной характеристики потребуется изготовить бетонный цилиндр, который впоследствии подвергают испытаниям на сжатие. Длительность воздействия на образец &mdsah; не менее 28 дней. Именно этот срок требуется для полного набора прочности материалу. После проверки и сравнения показателей в МПа, можно установить марку данного цемента, которые обозначаются: М200, М300, М400, М500, М600;

• Стойкость материала к воздействию коррозии. Находясь во влажной среде, бетонные конструкции, не обработанные специальными составами, подвергаются коррозии. Для устранения этого процесса рекомендуется использовать специальные добавки при формировании раствора для бетонирования. Тоже касается защиты от воздействия активных веществ и различной бытовой химии. Для работы в агрессивных средах и при повышенной влажности разработана специальная марка – пуццолановый цемент;
• Морозоустойчивость. Данная характеристика определяется в циклах заморозки и разморозки материала, при которых он способен сохранять свои изначальные свойства. При замерзании влаги в порах и микротрещинах бетонного основания происходит расширение, что влияет на качество бетона и приводит к его разрушению. Для усиления структуры бетона, необходимо использовать специальные присадки, которые позволяют бетону выдерживать резкие температурные перепады. Также присадки используются для организации работы в зимнее время;
• Водопотребность. Выражается в процентах по отношению к общему объему раствора требуемой пластичности. Максимальное значение водопотребности в портландцементе составляет 28%. Следует понимать, что смесь, которой требуется минимальное количество воды, дает более прочный и надежный бетон, а раствор, насыщенный водой, дает пористую структуру бетона, что характеризуется более низкой прочностью;
• Срок схватывания. Данный показатель важен для организации работ. Он не должен быть слишком длительным или коротким, чтобы не нарушать процесс выполнения заливки основания или кладки. Данная характеристика регулируется количеством гипса в сухой смеси. Если объем гипса выше – схватывание происходит быстрее, если ниже – медленнее. Оптимально процесс вставания цемента происходит в течение 10 часов, а начало схватывания находится в пределах 40-50 минут.

Типы продукции по сфере использования

Для проведения различных видов работ требуются определенные качества раствора. Широкое применение получил портландцемент, который может использоваться для производства большинства видов работ. Но для специальных условий требуются другие марки:

• Белый портландцемент. Данный материал отличает более тонкий помол и повышенное содержание гипса. Его применяют для оборудования наливных полов, так как белый цемент позволяет достичь высокого качества основания и привлекательного внешнего вида. При необходимости в состав цемента могут добавляться различные пигменты, что позволяет получать цветной раствор.
• Сульфатостойкий портландцемент. Предназначен для сооружения конструкций, подвергающихся многократным воздействиям агрессивной и влажной среды. Этот материал используют при изготовлении свай и быков для мостов.
• Шлаковый цемент. Используется для отливки конструкций и элементов, предназначенных для работы под водой или в земле.
• Пуццолановый цемент. Характеризуется отличным сопротивлением к воздействию пресных вод и используется для монтажа гидротехнических конструкций.
• Глиноземистый цемент. Данный материал применяется для возведения конструкций, работающих в морской воде, а также для производства ремонтных работ при отрицательных температурах.

Исходные материалы для приготовления

Размещение производства цемента стараются планировать рядом с основными запасами сырья. Сырьем являются природные горные породы, добываемые открытым способом. Итак, из чего производят цемент:

• Карбонатные породы. К ним относят: мел; ракушечник и прочие известняки; доломит; мергель. В промышленном производстве в основном применяются известняковые породы. Данный материал позволяет повысить эффективность взаимодействия в процессе обжига.
• Глинистые породы. К ним относят: глину; глинистые сланцы; суглинки; лесс. Данный материал необходим для обретения пластичности смеси и используется в основном при изготовлении цемента сухим способом.
• Добавки. Для получения определенных качеств цементного раствора, необходимо к основному составу добавлять вещества, которые способны корректировать свойства материала. К добавкам относят: глинозем; кремнезем; плавиковый шпат; апатиты.

Как готовят цемент на производстве

Основными веществами, из которых производят цемент, являются известняк и глина. Из этих двух составляющих специальным образом готовят клинкер, который впоследствии смешивается с прочими добавками, определяющими качество, марку и свойства раствора. Среди обязательных добавок присутствуют: гипс, доломит, цементит.

В природе имеется клинкер в чистом виде — мергель, но из-за небольших запасов этого минерала, использовать его в промышленных масштабах не получается, поэтому отечественные и зарубежные производители готовят клинкер из традиционных материалов.

Производство цемента разбито на следующие этапы:

• Для подготовки клинкера необходимо тщательно смешать ингредиенты в специальных барабанах большой емкости.
• На следующем этапе подготовленная масса поступает в печь, где происходит обжиг в течение 3-4 часов при температуре близкой к полутора тысячам градусов. В результате образуется клинкер в виде небольших фракций (до 5 см в диаметре).

• Далее, полученные зерна клинкера измельчают в барабанах с использованием шаровых грохотов. В процессе обработки материала необходимо добиться порошкообразного состояния смеси.
• На заключительном этапе в готовый цемент добавляют необходимые присадки и отправляют на расфасовку по мешкам или хопрам.

Существует три способа изготовления цемента. Они различаются приемами обработки клинкера.

1. Мокрый способ. Выработка клинкера производится с использованием воды, мела и глины. В результате смешивания веществ в барабане образуется влажная масса – шихта. Ее отправляют на обжиг, после чего полученные гранулы измельчают и смешивают с необходимыми добавками. Данный метод считается довольно затратным, поэтому в настоящее время чаще используют другие способы.
2. Сухой способ. Позволяет сократить этап смешивания готовой смеси с добавками, так как весь процесс сводится к подготовке, дроблению и смешиванию уже готовых ингредиентов. Данная технология становится все более популярной, так как позволяет существенно сократить затраты на производство и конечную цену продукта.
3. Комбинированный способ. В данной технологии используются различные формы производства клинкера, сочетающие в себе этапы производства, применяемые при сухом и мокром способах.

Как сделать цемент в домашних условиях

Прежде всего стоит сразу уяснить, что качественного продукта в домашних или гаражных условиях получить не удастся. Мало знать, как самому сделать цемент, ведь кроме этого потребуется приобрести специальное оборудование, ну или приложить максимальные мускульные усилия, что в конечном итоге оказывается довольно затратным и утомительным. Гораздо легче приобрести готовое изделие в магазине.

Наиболее простым способом получить в домашних условиях раствор, пригодный для цементирования мелких трещин, является приготовление смеси на основе следующих ингредиентов: воды, водной извести и каменной золы. Эти вещества перемешивают до получения однородной, вязкой массы, которую необходимо сразу же использовать, так как срок хранения этого раствора составляет не более двух часов.

Прочие варианты самостоятельного изготовления цемента предусматривают наличие печи для обжига материала и мельницы для размалывания клинкера в порошок.

Как сделать цементный раствор

Для приготовления цементного раствора потребуется сам цемент, вода и заполнитель (для штукатурных и кладочных растворов используется речной или карьерный песок).

Соотношение ингредиентов в растворе зависит от применения данного материала, но в большинстве случаев рекомендуется использовать формулу: 3 части песка на 1 часть цемента. Вода добавляется исходя из потребности в получении более пластичного или вязкого раствора.

При желании получить конструкцию с более высокими прочностными характеристиками, увеличивают долю цемента. Правильно начинать приготовление раствора со смешивания сухих фракций, и только после получения однородной массы начинают заливать воду небольшими порциями, постепенно добиваясь требуемой консистенции.

Цемент (лат. caementum - «щебень, битый камень») - искусственное неорганическое вяжущее вещество, как правило, гидравлическое, один из основных строительных материалов. При затворении водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затем затвердевает и превращается в камневидное тело. В основном используется для изготовления бетона и строительных растворов.

Цемент принципиально отличается от других минеральных вяжущих (гипса, воздушной и гидравлической извести), которые твердеют только на воздухе.

Цемент получается при нагревании гашёной извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450 °С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67% СаО, 22% SiO2, 5% Al2О3, 3% Fe2O3 и 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и ферритная фаза. В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.

Алит является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50-70%. Это трехкальциевый силикат, Са3SiO5, состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg2+, Al3+ и Fe3+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.

Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15-30%. Это двукальциевый силикат Ca2SiO4, модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде β-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки. Через год прочности чистого алита и чистого белита в сравнимых условиях примерно одинаковы.

Содержание алюминатной фазы составляет 5-10% для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат Са3Al2O6, существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов, особенно Si4, Fe3+, Na+ и К+. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент, обычно гипс.

Ферритная фаза составляет 5-15% обычного цементного клинкера. Это - четырехкальциевый алюмоферрит Ca2AlFeO5, состав которого значительно меняется при изменении отношения Al/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в поздние сроки.

Наиболее широко распространенным является Портландцемент.

Какие бывают цементы?

За годы, прошедшие с момента появления портландцемента, ученые придумали, а промышленники внедрили огромное количество новых его модификаций. Семейство портландцементов разрослось и, чтобы не путаться в их многообразии, была разработана специальная номенклатура. Она изложена в государственном стандарте Украины ДСТУ Б В.2.7-46-96 «Цементы общестроительного назначения. Технические условия». Объединяет все включенные в этот документ цементы обязательное содержание молотого портландцементного клинкера. Хотя его содержание может быть достаточно низким - в некоторых цементах его всего 20 %, но он является базовым, структурообразующим ком- понентом.

В основу классификации портландцемента и его «родственников» положены два ключевых параметра: вид и количество добавки (или добавок) и марочная прочность.

В зависимости от содержащихся добавок цементы делят на пять типов:

I Собственно, портландцемент. Без добавок или с минимальным их количеством (до 5 %). Обозначается ПЦ I.

II Портландцемент с добавками: шлака, пуццоланы, золы-уноса, известняка. Его индекс ПЦ II. Чтобы было понятно, какая именно добавка входит в состав, справа от обозначения типа указывают соответствующую литеру (для шлака - Ш, для пуццоланы - П, для золы-уноса - З). Кроме того, в обозначение входит еще одна литера, обозначающая предельное содержание клинкера. Если это «А» - клинкера не менее 80 %, если «Б» - не менее 65 %.

К этому же типу относят композиционный портландцемент. В его состав может входить несколько вышеперечисленных добавок сразу. Чтобы отличать его от портландцемента с добавками, обозначение дополнили литерой «К». Получилось: ПЦ II/А-К или ПЦ II/Б-К.

III Шлакопортландцемент. Как следует из названия, материал содержит доменный гранулированный шлак. А так как шлак сам по себе обладает вяжущими свойствами, то цемент может «вместить» его гораздо больше, чем прочих добавок. Соответственно, содержание клинкера в шлакопортландцементе невелико: ШПЦ III с литерой «А» может содержать всего лишь 35 % шлака, а с литерой «Б» - и того меньше: 20 %.

IV Пуццолановый цемент (может содержать одновременно пуццолану и золу-унос). Обозначается ПЦЦ IV («А» и «Б»).

V Композиционный цемент КЦ V («А» и «Б»). Этот цемент, как и композиционный портландцемент, может содержать несколько добавок, за исключением известняка. Допустимое минимальное содержание в нем клинкера ниже, чем в композиционном портландцементе, и составляет не менее 40 % для литеры «А» и не менее 20 % - для литеры «Б».

По прочности ДСТУ Б В.2.7-46-96 регламентирует для цементов I и II типа марки 300, 400, 500, 550 и 600, а для остальных типов - 300, 400 и 500.

Кроме вышеуказанной символики, условное обозначение может содержать дополнительную информацию об особых свойствах цемента. Для пластифицированных цементов в обозначение вводят индекс ПЛ, для гидрофобизированных - ГФ, для цементов с высокой ранней прочностью - Р.

Например, пластифицированный шлакопортландцемент марки 500, содержащий 40 % шлака и характеризующийся высокой ранней прочностью, будет обозначаться так: ШПЦ III/А-500Р-ПЛ ДСТУ Б В.2.7-46-96.

Если судить по масштабам применения в строительстве растворов и бетонов на основе минеральных вяжущих, кажется, что история искусственных камней на основе цементов насчитывает долгие века. Но по-настоящему отработанная технология производства и оптимальный состав цемента стали известны менее двух веков назад.

Изобретение камня

Камни домов доисторического времени скреплялись в стене с помощью глины, но сохраниться без обжига они не могли, и самые древние постройки, дошедшие до нас, были возведены с применением известкового раствора. Обожжённый и размолотый известняк (оксид кальция - Ca(OH)₂) после затворения водой твердеет, поглощая из воздуха углекислый газ, а потом опять превращается в камень. Основной недостаток известкового вяжущего - низкая влагостойкость, поэтому сегодня он применяется больше при изготовлении силикатного кирпича.

Другой вид воздушного минерального вяжущего (то есть набирающего прочность на воздухе) - гипс. Он получается при тепловой обработке и последующем размоле природного гипсового камня (CaSO 4 -2H 2 O) или природного ангидрида (CaSCu). Гипсовое вяжущее имеет огромную историю применения с древнейшего времени до сегодняшних дней. Самые яркие примеры - роскошные лепные и скульптурные украшения, листовые материалы (ГВЛ, ГКЛ) для сухих методов строительства и отделки.

Гидравлические вяжущие вещества

Область применения воздушных вяжущих ограничена теми местами, где готовые конструкции не подвергаются воздействию влаги, в противном случае приходится применять гидрофобизирующие (водоотталкивающие) добавки или проводить гидроизоляционные мероприятия, поэтому применение гидравлических вяжущих более удобно и распространено шире.

К ним относятся вещества, образующие гидратные (молекула воды входит в кристаллическую решетку как составная часть) соединения, когда превращение в камневидное тело и дальнейший набор прочности могут происходить во влажной среде, а воздействие воды в ходе эксплуатации конструкций не приводит к их разрушению.

Растворы и бетоны для выполнения водостойких конструкций приготавливают на основе гидравлической извести (из осадочных известковых пород особого состава - мергелей) и портландцемента, причем именно последний придает монолитным и сборным элементам здания необходимую прочность, а известковые растворы применяются там, где нагрузки минимальны.

История цемента

Попытки преодолеть низкую водостойкость известковых и гипсовых составов предпринимались с древнейших времен. Цемент (caementum в переводе с латыни — дробленый, битый камень) появился путем добавления в известь различных минеральных веществ, обладавших гидрофобными свойствами. Для этого использовали размельченные остатки кирпичей из обожжённой глины, различные вулканические породы. Так, в состав цемента, который применялся строителями Древнего Рима, входили пуццоланы - отложения пепла знаменитого вулкана Везувия.

Эксперименты продолжались долгие века, пока потребность в большом количестве прочного и недорогого вяжущего вещества не заставила строителей выработать оптимальную технологию по его производству. Решающий вклад в такие исследования внесли русский военный техник Егор Челиев, издавший книгу о цементе для подводных работ (1825), и каменщик из английского Лидса Джон Аспдин, получивший патент на портландцемент (1824). Это название происходит от английского острова Портленд, расположенного в проливе Ла-Манш и состоящего из известковых пород. Камни из карьера, находящегося на этом острове, считались самым престижным строительным материалом в Англии. Полученный Аспдином искусственный камень был очень похож на него цветом и прочностью.

Интересно, что технология Челиева более соответствует тому, что теперь называется портландцементом, а цемент Аспдина изготавливался без принятого сейчас спекания исходного сырья.

Технология производства

Цементное вяжущее у разных производителей может отличатся исходным сырьем, но основные технологические операции идентичны. Первая стадия - подготовка исходного минерального сырья, т. е. несколько стадий размельчения известковых камней и глины, смешивание этих компонентов в нужных пропорциях. Из чего состоит цемент? Обычно это 3 весовых части известняка и 1 часть глины. Иногда используется осадочная горная порода - мергель, где данные компоненты содержатся в нужной пропорции.

"Сухой" и "мокрый" способ

Существует два способа получения нужного состояния смеси: "сухой" и "мокрый". Если влажность компонентов высокая, глина и мягкий известняк (мел) растворяются в воде, затем из этой суспензии, называемой сырьевым шламом, вода сильным нагревом (испарением) удаляется. Получается равномерная тонкоизмельченная смесь. Более экономичный способ - "сухой", где нет стадии доведения шлама до кипения, а смесь измельчается механическим способом.

Далее во вращающихся печах - цилиндрах диаметром около 5 м, длиной около 200 м, имеющих уклон для перемещения сырьевой массы в процессе обжига, происходит образование клинкера - окатанных гранул, появляющихся в процессе спекания смеси при температуре 1450 ⁰С в результате физических и химических взаимодействий.

Клинкер охлаждается и выдерживается до двух недель перед окончательной операцией - совместным измельчением с определенным количеством гипса, который добавляется для замедления процесса схватывания. Здесь окончательно формируется состав цемента, на этой же стадии вводятся различные минеральные добавки, придающие вяжущему нужные специфические свойства.

Химическая основа

Необходимые свойства самого популярного вяжущего определяет химический состав цемента. В результате технологической обработки сырья клинкер становится соединением различных химических веществ в виде четырех основных минералов:

1. Алит - трехкальциевый силикат - составляет большую часть клинкера - 50-60%. Присутствие в молекулярной решетке ионов марганца, алюминия и железа определяет прочность готовой растворной или бетонной смеси, набираемой в течении первых 28 суток.
2. Белит - двухкальциевый силикат - составляет 15-30%, и он - основа прочности, набираемой конструкцией в более поздние сроки.
3. Алюминатная фаза - трехкальциевый алюминат - 5-10%. Быстрая реакция алюмината с водой и возможное слишком быстрое схватывание требуют введения гипса, замедляющего этот процесс.
4. Ферритная фаза - четырехкальциевый алюмоферрит - 5-15 %

Меняя процентный состав этих фаз, вводя дополнительные компоненты, можно производить цемент, состав и свойства которого будут наилучшим образом соответствовать конкретной ситуации в ходе строительства.

Виды цемента

Шлакопортландцемент получается при добавлении к портландцементному клинкеру гранулированного шлака - побочного продукта выплавки чугуна в доменных печах. Применение шлака снижает стоимость, а состав цемента, произведенного по такой технологии, придает конструкциям, выполненным на его основе, повышенную устойчивость к воздействию воды с насыщенным минеральным составом, например, морской.

Быстротвердеющий - это цемент с преобладанием в клинкере алита и алюминатной фазы, отличается особо тонким помолом - всё это ускоряет набор прочности.

Сульфатостойкий портландцемент применяется для гидросооружений, подводные части которых подвергаются постоянному воздействию веществ, вызывающих сульфатную коррозию. Из чего состоит цемент, предназначенный для таких ответственных конструкций? В клинкерном сырье до минимума сведено присутствие трехкальциевого алюмината и белита.

Портландцемент с пониженным тепловыделением при наборе прочности необходим для изготовления конструкций большой массы и объема, когда тепло, выделяемое экзотермической реакцией твердения, может привести к образованию трещин. Состав такого цемента похож на сульфатостойкий.

Белый цемент

Изделия, выполненные с использованием белого цемента, обладают повышенными эстетическими качествами. Присутствие в исходном сырье окиси железа и окиси марганца придает готовому порошку характерный серо-зеленый цвет, соответственно, состав белого цемента предполагает минимальное присутствие таких солей и использование для исходного сырья светлых, каолиновых сортов глины.

Существует еще много видов цементного вяжущего, обладающего специальными качествами: гидрофобный, глинозёмистый, водонепроницаемый расширяющийся, напрягающий, пластифицированный, песчанистый и т. д.

Состав и прочность

Важнейшим показателем качества цемента является прочность изделий, изготовленных на его основе. ГОСТом установлены необходимые показатели, которые обозначаются особой маркировкой. Цифра означает предел прочности на изгиб и сжатие при лабораторных испытаниях стандартных образцов, на устойчивость к нагрузкам которых влияет и состав цемента. М400 означает, что образцы выдержали нагрузку в 400 кг/см² (или 40 Мпа).

Исследования показывают, что минеральный состав исходного сырья - важнейший фактор, влияющий на прочность цементных растворов и бетонов. Правильный подбор компонентов позволяет найти нужную пропорцию между скоростью набора прочности и конечной величиной устойчивости к нагрузкам, которая только увеличивается с течением времени. Состав цемента М500 позволяет создавать балки и плиты, способные выдерживать колоссальные нагрузки.

Сегодня в мире производится огромное количество цемента самого различного качества. Выбор сырья для него часто определяется экономическими факторами, и при правильном отношении к строительному процессу следует знать, из чего состоит цемент, который будет использоваться, чтобы сделать правильный выбор и быть уверенным в прочности и долговечности будущего дома.

Цемент – вяжущая субстанция, которая имеет свойство твердеть в воде и на открытом воздухе. Разберемся, из чего делают цемент, правда, тут еще все заивист от . Он образуется путем измельчения клинкера, гипса и специальных добавок. Клинкер – это результат обжига сырьевой смеси, которая включает в себя известняк, глину и прочие материалы (доменный шлак, нефелиновый шлам, мергель). Ингредиенты берут в определенном соотношении, что обеспечивает образование силикатов кальция, алюмоферритной и алюминатной фаз.

Впервые патент на цемент был зарегистрирован в 1824 году, в Англии, Д. Аспиндом. Тогда автор патента смешивал пыль извести с глиной, обрабатывал смесь посредством высокой температуры. В результате получал серый клинкер. Далее материал размалывался и заливался водой.

Из чего состоит цемент сегодня? По-прежнему клинкер – это основной компонент, входящий в состав цемента. Именно от него зависят свойства и крепость строительного материала. Кроме того, в состав входят активные минеральные добавки (15%) в соответствии со стандартами производства. Они незначительно влияют на основные свойства и технические характеристики строительного материала. Если увеличить количество добавок до 20%, то свойства цемента будут несколько изменены, а называться он будет пуццолановым цементом.

В рассыпанном состоянии составляет 900-1300 кг/куб м, уплотненном – до 2000 кг/куб. м. Рассчитывая емкость складов для хранения, вес цемента равняется 1200 кг/куб. м. Выпуск цемента без добавок регламентирует ГОСТ 10178-76, с добавками – ГОСТ 21-9-74.

Основные характеристики цемента

В зависимости от того, из чего сделан цемент, материал имеет разные свойства. К основным из них относятся:
1. Прочность . Это параметр, который отвечает за разрушение материала под воздействием определенных условий. В зависимости от механической прочности, выделяют четыре типа цемента: 400, 500, 550 и 600.
2. . Определяется путем укладки цементного теста нормальной густоты на ровную поверхность – цемент должен равномерно изменять свой объем при высыхании. Иначе его нельзя будет применять в строительстве ввиду возможных разрушений покрытия в результате чрезмерного напряжения. Изменения объема проверяются путем кипячения застывших лепешек из цемента.
3. Зернистость помола . Параметр оказывает влияние на скорость высыхания и прочность. Чем мельче помол, тем лучше и прочнее цемент, особенно на первом этапе затвердения. Зернистость помола определяется удельной поверхностью частиц, которые входят в состав 1 кг цемента, и колеблется в пределах 3000-3200 кг/куб. м.
4. Плотность . Затраты воды для создания смеси. Это количество воды при затворении, необходимое для нормальной укладки и высыхания материала. Чтобы сократить ее расход и повысить пластичность цемента, применяют пластифицирующие органические и неорганические вещества. К примеру, сульфидно-дрожжевую бражку.
5. Стойкость к морозам . Параметр позволяет определить способность выдерживать временное замораживание воды, вследствие которого ее объем увеличивается на 8-9%. Вода давит на стенки цементного (бетонного) покрытия, а это, в свою очередь, нарушает структуру раствора, постепенно разрушая его.
6. Сцепление с арматурой .
7. Тепловыделение – в процессе застывания цемента выделяется тепло. Если это происходит медленно и постепенно, то покрытие застывает равномерно, без появления трещин. Количество и скорость выделения тепла можно уменьшить путем использования специального минералогического состава, который добавляют в раствор.

Сегодня производится множество видов цемента. То, из чего состоит цемент, в большей степени влияет и на его свойства. В зависимости от сырьевой основы, выделяют такие виды цемента:

• известковый;
• мергелистый;
• глинистый цемент с добавками шлака и боксита. Его особенность – водонепроницаемость, морозоустойчивость, огнеустойчивость.

В основном при изготовлении цемента применяют глинистые и карбонатные соединения. Иногда – искусственное сырье (отходы, шлаки) или другие природные материалы (остатки глинозема).

Различают . Портландцемент быстро твердеет и может содержать в своем составе минеральные добавки от 10 до 15%. Клинкер и гипс (основные компоненты), входящие в его состав, обжигают при температуре 1500 градусов Цельсия. Портландцемент активно применяют для проведения современных строительных работ. Его главным свойством является способность превращаться в твердую каменную глыбу даже при взаимодействии с водой.

Кроме портландцемента и шлакопортландцемента, различают следующие виды цемента:

• гидравлический;
• напрягающий – имеет свойство быстро схватываться и высыхать;
• тампонажный – предназначен для бетонирования газовых и нефтескважин;
• декоративный (белый);
• сульфатостойкий - его отличительная особенность – низкая скорость затвердевания и повышенная морозоустойчивость.

Сферы использования

Очень часто цемент применяют в строительстве для создания бетона и армированных конструкций. Марка 400 используется для заливки фундамента и сооружения балок перекрытий в высотных зданиях.