Состав цемента: применение свойств и назначение в строительстве

Особенности и изготовление

— Доктор, мой ребенок наелся песка, и я дала ему немного воды. Что мне теперь делать?— Следите, чтобы он не подходил к цементу!

Примерно так выглядит создание песчано-цементной смеси. Интересно, а кто-то пробовал так делать? Любопытно, это работает внутри человека? Кажется, ничего не получится, мы внутри очень кислотные. Хотя… Нет, только пожалуйста не пробуйте повторить. Это всего лишь анекдот.

Так вот, портландцемент – это вяжущее вещество, которое связывает воедино все, что попадает в его объятия. Его имя должно вызывать прямые ассоциации с прочными монолитными конструкциями. Дальше, между делом, расскажу, как работает внутренняя химия при сотворении рукотворного камня.

Что касается состава строительного порошка. В него входят натуральные неорганические вещества, запеченные при высоких температурах:

• глина;
• известняк;
• мел;
• кремнезем;
• глинозем.

Минеральные зерна, которые состоят из перечисленных веществ, называют клинкером. Их перемалывают вместе с гипсом, получая гидравлический цемент.

Чтобы что-то продать, нужно сначала что-то купить. А чтобы что-то сделать, нужно сначала что-то добыть. Так и здесь. Главным этапом производства портландцемента является добыча правильных ископаемых. Известняк с характерным желто-зеленым цветом добывают открытым способом. Самые нижние его слои расположены на глубине 10 м. Добытый материал перевозят к месту производства. После первичного дробления приступают к его обработке.

Теперь самое интересное. Записывайте (вдруг пригодится). Процесс изготовления портландцемента такой:

1. Сначала минералы перемалывают в порошок.
2. Затем полученную смесь тщательно пропекают при температуре 1400 градусов Цельсия. Домашняя печка, как у Аспдина уже не поможет. Нужен специальный вращающийся тепловой агрегат с барабаном. После обжига получаются минеральные гранулы.
3. Полученный клинкер снова измельчают. Порошок перемешивают в нужной пропорции с гипсом, вносят добавки.

С первого взгляда процесс не такой сложный. Но пытливый ум человека не ищет легких путей. Было изобретено 3 варианта обжига горных минералов. Каждый создан с целью получить бетон с определенными свойствами.

• Мокрый тип обработки. Перемалывание минералов происходит в воде. Затем влажную смесь отправляют в печь. На выходе получаются минеральные шарики (клинкер) которые снова перемалывают и смешивают с гипсом.
• Сухой способ производства. Минеральные составляющие измельчаются и обжигаются в сухом виде. Этот тип производства считается более экономичным, потому что тратится меньше электричества. При мокром варианте в печах расходуется много электроэнергии на испарение воды.
• Смешанный (комбинированный) вариант. Используют мокрый и сухой способ. Сырье немного увлажняют, запекают, а затем смешивают компоненты уже в сухом виде.

Таким способом получают знакомый нашему глазу порошковый состав. Но часто портландцемент обогащают полезными добавками, чтобы улучшить его качества. По их наличию портландцемент делят на марки. Изготовленный продукт проходит контроль качества и получает сертификат.

Коротко о главном

Цемент – это связующее вещество, которое при застывании становиться крепким и может заменить собой камень. Чаще всего его используют для создания фундамента, соединения кирпичей или блоков, а также изготовления плитки или облицовочных материалов.

В зависимости от вида цемента отличается его состав. Поэтому следует знать какие есть разновидности этого вещества, так как некоторые их них используются только в узконаправленных предприятиях. Например, тампонажный цемент применяется только при герметизации газовых или нефтяных скважин, а сульфатостойкий – при сложных географических и погодных условиях.

Оценок 0

Что такое цементный клинкер

Прежде чем подробно описать технологический процесс, коснёмся основного компонента цемента − клинкера. Этот гранулированный промежуточный продукт получается путём обжига в печи смеси глины и известняка при температуре +1450°C. Известняка требуется 3/4, а глины − 1/4 часть. Их можно заменить схожими по качеству материалами. Известняк − это мел, мергель или другие породы.

Мергель − один из известняков

В процессе обжига происходит плавление, в результате чего образуются разные по величине гранулы − клинкер. При его помоле и соединении с добавками, преимущественно с гипсом, и получается цемент.

Из чего делают цемент: основное сырье

Основным сырьем при цементном производстве являются породы из глины и карбоната, а также другие материалы, имеющие естественное происхождение, и отходы производств, такие как шлаки.

Физические свойства этих пород сильно влияют на качество произведенного цемента. Породы, имеющие кристаллическую структуру, хуже вступают во взаимодействие с остальными компонентами во время обжига, если сравнивать с породами, у которых аморфная структура. Свойства этих пород следующие:

1. Мел — это мягкая порода осадочного типа, которая представляет из себя известняк с мажущей способностью. Мел можно без труда измельчить. Этот материал — важный компонент при создании цементной смеси.
2. Мергель — порода осадочного происхождения, находящаяся между известью и глиной по своим свойствам. Бывает как в твердом, так и рыхлом состоянии. Плотность и влажность этой породы различаются зависимо от того, какой процентный состав глины в нее входит.

При изготовлении цемента используются такие породы, как: глина, лесс, глинистый сланец и суглинки лессовидного типа. Эти материалы со следующими свойствами:

1. Глины являются породами осадочного типа, которые включают минералы с различными свойствами, при смачивании они становятся пластичными и набухают. Если изготавливать цемент с помощью сухого метода, пластифицирующая способность глины дает возможность гранулировать муку и создавать брикеты. Суглинок — это обыкновенная глина, в которую попали частицы пыли и песка.
2. Глинистый сланец — порода с высокой плотностью и твердостью. Пластинки, из которых состоит эта порода, имеют небольшую толщину. По сравнению с глиной сланцы не такие влагоемкие и имеют более стабильный состав.
3. Лесс состоит из мельчайших частиц минералов, таких как кварц, полевой шпат, имеет высокую рыхлость, пористость и невысокую пластичность. Между суглинком и лессом по свойствам находится лессовидный суглинок.

Области применения

Схема производства цемента.

Его применяют для того, чтобы получить сборный или монолитный бетон, железобетон, различные строительные растворы и т.д. Первыми потребителями цемента выступают газовые и нефтяные компании. Использование данного материала заменяет в строительстве кирпич, дерево, известь. Поэтому он так популярен. Существует большое количество видов цемента. Для его получения обычно берут известь и глину. Применяют цемент для укладки фундамента или кирпича, для получения бетона. Хранится он строго, раздельно по видам и маркам прочности, обязательно в сухих помещениях. Цементные свойства:

1. Морозостойкость. Это способность цемента многократно замораживаться и оттаивать, не теряя при этом своих свойств.
2. Стойкость к коррозии. Это умение данного материала противостоять почти любым агрессиям с внешней среды.
3. Водостойкость. Это способность удерживать влагу, не теряя своих полезных признаков, не разрушаясь.
4. Сульфатостойкость. Это умение материала быть стойким по отношению к водной среде, которая содержит ионы сульфата.

Термическая обработка

Печь для обжига

Порошок отправляют в печь, в которой под воздействием температуры 800°С, в каменной муке начинается процесс химического соединения минеральных компонентов. После проведения первой термической обработки, его отправляют в кальцинатор, где с помощью химической реакции, за несколько секунд убирают 95 – 97% двуокиси углерода и отделяют известь. Далее смесь отправляют в вращающуюся цилиндрическую печь, в которой ее медленно перемешивают под воздействием температуры в 1500 – 1800°С.

При длительном воздействии высокой температуры, порошок превращается в стекловидные образования под названием «клинкеры». По выходу из печи клинкеры охлаждают до 60 – 80°С, отправляют в накопитель и далее на дробление.

Как изготавливается

Из чего же делают цемент? Процесс изготовления строительного материала достаточно энергоемкий, в него входит получение клинкера и превращение его в порошкообразный материал.

При добыче составляющих для производства цемента из извести проводится разработка соответствующих месторождений. Необходимый слой для изготовления находится на некоторой глубине. После извлечения известняк направляется на раскалывание.

Производство

Расколотые мелкие части сушатся, а затем размалываются и смешиваются с другими частицами нужных компонентов. Эта смесь сырьевых материалов подвергается воздействию очень высоких температур и в результате формируется промежуточный продукт — цементный клинкер.

Вообще производство цемента сводится к двум вариантам. В первом случае смешивание компонентов происходит в сухом виде, во втором случае делается водный раствор, в котором перемешиваются все ингредиенты.

Более подробно о производстве цемента смотрите на видео:

Как делают цемент

Рассмотрим из чего сделан цемент, в каком порядке это добавляется и каким образом обрабатывается. Существуют несколько технологических разновидностей процесса изготовления цемента. Они отличаются тем, каким образом подготавливается сырье.

Одной из разновидностей такого процесса является мокрая обработка. В процессе изготовления клинкера в его состав вместо извести добавляют мел. Во время смешивания ингредиентов с помощью барабана, к порошку добавляется вода. Она нужна для образования шихта, в котором будет до 50 % влаги. После обжига это вещество превращается в клинкер шарообразной формы. После остывания шарики крошатся до состояния порошка.

Для уменьшения затрат на производство и себестоимости готового цемента применяется сухая методика изготовления. Для этого используется механизм, который объединяет в себе устройство по измельчению и печь для сушки. Во время дробления, к составу добавляются все нужные ингредиенты, которые обрабатываются в одном резервуаре.

Пример производственной печи для обжига и смешивания цемента Источник yandex.net

Комбинированный способ изготовления цемента – это объединение методик сухого и мокрого производства. На предприятиях, использующих данный вид создания готового продукта используются технологии, которые отличаются чаще всего последовательностью обработки.

Например, некоторые производители сначала делают сухую смесь, которую в конце искусственно увлажняют до 13-15 % содержания влаги. Также можно создавать полусухой готовый продукт с содержанием влаги от 17 до 19 %, если перед помолом шихты с помощью мокрой технологии её немного высушить.

При любом из комбинированных методов требуется тщательно перемалывать все ингредиенты и смешивать их до полной однородности. На производстве используются специализированные силосные башни, в которых цемент искусственно насыщается воздухом, что позволяет ему храниться длительное время и не слёживаться.

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.

https://youtube.com/watch?v=Bt2i-NzyQug

Химический состав и формула

Когда нагревают такие компоненты, как известняк и глину, то показатели температуры в этом случае достигает отметки 1450 градусов. В результате такого воздействия происходит изменение структуры представленных компонентов, что способствует формированию гранул клинкера. После этого полученные ингредиенты соединяют с гипсом и перемалывают, чтобы в результате получился порошок.

Цемент марки 500 характеристики цена и другие данные указаны в статье.

На видео рассказывается, из чего состоит цемент:

Химическая формула готовой продукции выглядит так:

• 67 % оксида кальция (СаО);
• 22 % диоксида кремния (SiO2);
• 5 % окиси алюминия (Al2О3);
• 3 % оксида железа (Fe2O3);
• 3 % прочие составляющие.

Как и где используется марка цемента м500 можно узнать в данной статье.

Технология производства цемента является очень сложной и трудоемкой. Здесь необходимо использовать специальное оснащение и соблюдение всех правил и норм.

На видео – химический состав цемента:

Исторические сведения[править | править код]

Римляне подмешивали к извести определённые материалы для придания ей гидравлических свойств. Это были:

• пуццоланы (отложения вулканического пепла Везувия);
• дроблёные или измельчённые кирпичи;
• трасс, который они нашли в районе г. Эйфеля (затвердевшие отложения вулканического пепла).

Несмотря на различия, все эти материалы содержат в своем составе оксиды:диоксид кремния SiO2 (кварц или кремнекислота), оксид алюминия Al2O3 (глинозём), оксид железа Fe2O3 — и вызывают взаимодействие с ними извести; при этом происходит присоединение воды (гидратация) с образованием в первую очередь соединений с кремнезёмом. В результате кристаллизуются нерастворимые гидросиликаты кальция. В средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига загрязнённых глиной известняков по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их.

Растворосмеситель для подземных бетонных работ

После этого начался вековой период усиленного экспериментирования

При этом основное внимание было обращено на разработку специальных месторождений известняка и глины, на оптимальное соотношение этих компонентов и добавку новых. Только после 1844 года пришли к выводу, что, помимо точного соотношения компонентов сырьевой смеси, прежде всего необходима высокая температура обжига (порядка +1450 °С, 1700 K) для достижения прочного соединения извести с оксидами

Эти три оксида после спекания с известью определяют гидравлические свойства; их называют оксидами, обусловливающими гидравличность (факторами гидравличности).

Портландцемент получается при нагревании известняка и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры +1450…+1480 °С. Происходит частичное плавление и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер размалывают совместно примерно с 5% гипсового камня. Гипсовый камень 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, 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и алюмоферритная 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 трёхкальциевый силикат, Са3SiO5, состав и структура которого модифицированы за счёт 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 сокращенно обозначаемый 3СaAS (состав — 3CaO*Al2O3*SiO2), существенно изменённый по составу, а иногда и по структуре, за счёт 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 — четырёхкальциевый алюмоферрит, сокр. 4СaAFS (4CaO*Al2O3*Fe2O3*SiO2), 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.

Выдающийся учёный химик А. Р. Шуляченко считается отцом русской цементной промышленности. Широкое применение получила шахтная печь Антонова для обжига и производства клинкера. По вопросам цементной технологии и твердения гидравлических вяжущих много работ провели Ю. М. Бутт, С. М. Рояк, И. Ф. Пономарев, Н. А. Торопов и другие.

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:

Действия по обустройству в зависимости от твердости вяжущего порошка:

• М200 — цемент предназначен для штукатурных работ, изготовления бетона М100;
• 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, бордюрных камней, 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.

Как определить марку

Она определяется в лабораторных условиях, исходя из заданного раньше удельного веса цемента. Для этого требуется образец материала. С одной стороны добавляется 1 часть вяжущего вещества, с другой – 3 части кварцевого песка. Создается смесь для проведения качественного опыта – в нее добавляют воду, заливают в формочки. Образцы не трогают в течение 28 суток. Смесь успевает засохнуть минимум на 98%, после чего образец подкладывается под пресс и с помощью давления разрушается. Последнее, в свою очередь, замеряется.

Процедура повторяется 6 раз с другими образцами. По полученным данным вычисляется марка и класс прочности цемента (удельный вес бетона) в МПа и кг/см³.

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.

Этапы производства цемента.

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.

Мергель.

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).

Обжиг шлама.

• 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.

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.

Добавки в цемент.

Виды быстросохнущего цемента и их маркировка

Вид и марка цементных растворов ориентируют пользователей в правильном выборе строительной смеси. Ассортимент быстродействующих цементов с различной скоростью твердения на строительном рынке:

• Особо быстротвердеющий цемент, строительный материал с минимальным содержанием присадок. Такой цемент твердеет за 24 часа до плотности 30 Мпа, затем в течение 48 часов этот параметр возрастет на 10 Мпа. Для производства этого вида цемента применяют клинкер помола 4000 см2/г, содержащим 8% целита 68% алита.
• Сверх быстротвердеющий вид цемента в первые сутки после заливки достигает марочную прочность близкую к 70%. В период от 2 до 4 часов плотность строительной смеси достигает 10 Мпа, что позволяет выполнить демонтаж конструкции. Для такой смеси используется клинкер особого помола, площадью не меньше 8000 см2/г.

Для маркировки быстросохнущего цемента существует общая формула, содержащая обозначение типа цемента (XXX), марку, процентное содержание добавок (Y0), Z — обозначение вида — Б. Вид формулы:

XXX 000 Y0Z

Как сделать цемент в домашних условиях

Несмотря на сложный процесс производства, сделать цемент можно и своими руками. Конечно, не по классической технологии с мельчащим дроблением клинкера и обжигом при высоких температурах. Рассмотрим один из популярных рецептов:

1. Получаемый состав применяется для заделки щелей и прочих несовершенств в полах и стяжках.
2. Потребуется водная известь, каменная зола и обычная вода. Всё в равных пропорциях.
3. Все ингредиенты смешиваются до получения консистенции сметаны. В таком виде подобный «цемент» и используется.

Только не стоит делать его слишком много – подобный состав быстро сохнет.

Ещё один популярный рецепт на основе глицерина. Распространённость он получил из-за хорошей прочности:

1. Свинцовый глёт растирается до максимально тонкого состояния и высушивается в печи любого типа под действием высоких температур.
2. В полученный «клинкер» добавляется глицерин.
3. Домашний цемент, изготовленный таким способом, больше всего напоминает магазинный аналог.

Как приготовить цементный раствор из творога

Творожный цемент

Никогда не задумывались, как получают цемент из творога? Оказывается, и такой цемент есть. Как создать такую смесь? Очень просто:

1. Тонким слоем высушивается творог из снятого молока без сыворотки. Получится своеобразный порошок – 1 часть.
2. Потребуется также едкая известь – 10 частей.
3. Подобные ингредиенты смешиваются, и в них добавляется вода. Всё перемешивается и доводится до кашицеобразного состояния.

Цемент по нетрадиционной технологии

Нетрадиционный метод создания цемента популярен в Китае. В качестве одного из основных ингредиентов используется свиная кровь. Несмотря на то, что морально-этическая сторона этого вопроса вызывает много споров, с точки зрения крепости и прочности, такой материал вопросов не вызывает.

Итак, особые ингредиенты китайских мастеров:

1. квасцы в порошке – 6 частей;
2. свиная кровь свежая – 40 частей;
3. гашённая известь-пушонка – 54 части.

Все ингредиенты смешиваются до однородного состояния. Полученный состав обладает хорошей прочностью и адгезией, поэтому в последнее время он довольно популярен.