Цемент — вяжущее вещество¶

Цемент — порошкообразное неорганическое вещество, при смешивании с водой образующее пластичную массу, а затем твердеющую и камнеподобную структуру. Относсится к классу гидравлических вяжущих веществ: в отличие от воздушных вяжущих (например, гипса или извести), цемент твердеет не только на воздухе, но и в воде. Основное промышленное применение — производство бетона и строительных растворов.

¶Состав и химия

Цемент получают из клинкера — спёкшейся при высокой температуре смеси известняка и глинистых пород. Клинкер измельчают вместе с гипсом, который регулирует сроки схватывания. Основные минеральные компоненты клинкера:

При затворении водой минералы цемента гидратируются, образуя гель силиката кальция (C-S-H) и гидроксид кальция. Именно гель C-S-H отвечает за прочность камня; гидроксид кальция придаёт цементному камню щелочную реакцию (pH 12–13), что защищает стальную арматуру от коррозии, но ограничивает применение в кислых средах.

¶Виды цемента

По ГОСТ 31108—2016 (и ранее действовавшему ГОСТ 101781—85) различают:

• Портландцемент — основной тип, содержит ≥ 65 % C₃S, применяется в большинстве строительных работ.
• Шлакопортландцемент — с гранулированным доменным шлаком (20–80 %), повышенная стойкость в водной среде, медленный набор прочности.
• Пуццолановый портландцемент — с активными минеральными добавками (диатомит, пепел, зола-уноса), повышенная сульфатостойкость.
• Сульфатостойкий портландцемент — для гидротехнических сооружений и агрессивных сред.
• Белый портландцемент — из сырья с низким содержанием оксидов железа, для отделочных работ.
• Цветные цементы — с минеральными пигментами.
• Глинозёмистый цемент — быстротвердеющий, с повышенным содержанием C₃A, применяется в аварийных и огнеупорных работах.
• Тампонажный цемент — для крепления нефтяных и газовых скважин.

По маркам прочности (классам по ГОСТ 31108) цемент обозначают буквой М и числом (марка) либо буквой В и числом (класс): например, М500 (В42,5) означает, что образец набирает прочность на сжатие не менее 42,5 МПа через 28 суток.

¶Производство

Технологическая линия включает:

1. Добычу сырья — известняк и глину (или мергель) добывают открытым способом.
2. Сырьевую смесь — компоненты дробят, измельчают и перемешивают в шаровой мельнице до однородности.
3. Обжиг — сырьевую муку направляют во вращающуюся печь длиной 50–200 м, где при 1400–1500 °C происходит спекание в клинкер.
4. Охлаждение клинкера — в холодильниках различного типа.
5. Помол клинкера с гипсом — в шаровых мельницах до удельной поверхности 300–600 м²/кг.
6. Складирование и фасовку.

Одна крупная печь способна производить до 5000–10000 тонн клинкера в сутки. На тонну цемента требуется примерно 1,5 т сырья и 3–4 ГДж тепловой энергии.

¶Свойства и характеристики

• Время схватывания — начало не ранее 45 мин, конец не позднее 12 ч (для портландцемента).
• Тонкость помола — удельная поверхность 300–500 м²/кг.
• Равновесие усадки — контроль объемных изменений при твердении.
• Морозостойкость — определяется числом циклов замораживания и оттаивания.
• Коррозионная стойкость — в сульфатных, магниевых и прочих агрессивных водах.

¶Применение

Цемент — один из самых массовых строительных материалов: мировое производство превышает 4 млрд тонн в год, Китай выпускает более половины мирового объёма. Около 70–80 % произведённого цемента идёт на производство бетона, остальное — в строительные растворы, железобетонные конструкции, дорожное строительство, а также в специальные назначения (забутовка скважин, замазка труб, изготовление декоративных изделий).

Цементный камень обладает высокой прочностью на сжатие (20–60 МПа и более) и низкой — на растяжение, поэтому в конструкциях его применяют совместно со стальной арматурой (железобетон).

¶Экологические аспекты

Производство цемента отвечает за около 7–8 % глобальных выбросов CO₂: примерно половина выбросов приходится на химическое разложение известняка (CaCO₃ → CaO + CO₂), вторая половина — на сжигание топлива. Альтернативные технологии включают замену части клинкера золой-уносом или шлаком, использование альтернативного топлива (отходы), а также разработку цементов на основе белита или с улавливанием CO₂.

¶История

Родоначальником портландцемента считается английский строитель Джозеф Аспдин, который в 1824 году запатентовал «портландцемент» — названный так за сходство с портландским камнем. В России промышленное производство портландцемента началось в 1860-х годах; в 1861 году в Тульской губернии была запущена первая цементная фабрика. В 1872 году инженер А. Р. Шпаковский разработал отечественную технологию обжига цемента. К началу XX века Россия стала одним из крупнейших производителей цемента в Европе.

Источники:

• ГОСТ 31108—2016 «Цементы общестроительные»
• Батищев В. И. «Цементы и вяжущие вещества»
• Соболев Б. Г. «Производство портландцемента»
• Круть И. Г. «Технология цемента»