цементы

ЦЕМЕНТЫ

порошкообразные минер. вяжущие материалы, образующие при взаимодействии с водой или водными растворами солей пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; осн. строит. материал.

Наиб. распространение получил т. наз. портландцемент (от назв. г. Портленд в Великобритании), содержащий гл. обр. высокоосновные силикаты кальция. Хим. состав портландцемента (без добавок), в % по массе: 62–76% CaO, 20–23% SiO₂, 4–7% Al₂O₃, 2–5% Fe₂O₃, 1–5% MgO; минералогич. состав, в % по массе: твердые растворы на основе 3CaO x SiO₂, или Ca₃SiO₅ (алкит, 45–65%), 2CaO x SiO₂, или Ca₂SiO₄ (белит, 15–30%), алюминат кальция ЗCaO x Al₂O₃ (3–14%), алюмоферрат(III) кальция 4CaO x Al₂O₃ x Fe₂O₃ (10–18%). Известны отличающиеся составом и назначением разл. виды портландцемента, напр., высокопрочный, быстротвердеющий, гидрофобный и др., его смеси с гранулированным шлаком (шлакопортландцемент) и горн. породами — пуццоланами — трепелом, туфом, пемзой (пуццолановый портландцемент). Другие распространенные виды Ц. — глиноземистый, гипсоглиноземистый расширяющийся (табл. 1).

Получение. Сырьем для получения Ц. служат прир. материалы (известковые, глинистые, мергелистые, гипсовые, глиноземистые породы) и пром. отходы (металлургич. и топливные шлаки, золы от сжигания углей, белитовый шлам, отходы от переработки нефелиновых пород и др.).

Производство Ц. включает приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, их тонкий помол, перемешивание, корректировка хим. состава смеси), обжиг сырьевой смеси, тонкий помол обожженного продукта (клинкера) до порошкообразного состояния вместе с небольшим количеством гипса, активными (шлак, зола, гемза) и неактивными при взаимодействии с водой (кварц, карбонатные породы) минер. добавками и др. веществами, придающими Ц. нужные свойства (напр., пластификаторы, гидрофобные добавки).

В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинир. способы производства. При сухом способе сырье (известняк и глина) в процессе дробления и помола в мельницах высушивается и превращается в сырьевую муку, после чего мука поступает на обжиг. При мокром способе помол сырьевых компонентов осуществляют в мельницах в присутствии воды, которую вводят для понижения твердости, интенсификации процесса помола и уменьшения удельного расхода энергии. Влажность сырьевой смеси (шлама), поступающего на обжиг, при мокром помоле составляет 34–43% по массе; для снижения влажности шлама к сырьевой смеси добавляют сульфитно-дрожжевую бражку, триполифосфат Na или ПАВ. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по предыдущей схеме, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется в гранулы и поступает на обжиг.

Обжиг сырьевой смеси осуществляют при 1450 °C во вращающихся (редко шахтных) печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр, в загрузочную часть которого подается сырьевая смесь, а со стороны выгрузки (головки) печи через форсунку — топливо (см. печи). Сырьевая смесь движется по направлению к головке печи, подвергаясь действию нагретых топочных газов. Вращающуюся печь условно разделяют на неск. технол. зон. В зоне сушки под действием отходящих топочных газов сырьевая смесь подсушивается, в зоне подогрева нагревается до 500–600 °C и переходит в зону кальцинирования (900–1200 °C), в которой происходит разложение CaCO₃. Получающийся CaO в твердом состоянии взаимод. с составными частями глины и железистого компонента с образованием в экзотермич. зоне 2CaO x SiO₂, 5CaO x 3Al₂O₃, 3CaO x Al₂O₃, 4CaO x Al₂O₃ x Fe₂O₃, 2CaO x Fe₂O₃, а также CaO, MgO и др. оксидов.

В зоне спекания при температуре 1450 °C обжигаемый материал (клинкер) частично плавится; в этой зоне образуется главный минерал клинкера ЗCaO x SiO₂. При дальнейшем прохождении по печи клинкер попадает в зону охлаждения (температура 1000–1200 °C). Холодный клинкер дробят и тонко измельчают вместе с гипсом и др. добавками в барабанных шаровых мельницах, а затем транспортируют в железобетонные цилиндрич. емкости — т. наз. цементные силосы.

Свойства. При взаимодействии Ц. с водой — гидратации, затворении — первоначально образуется пластичное цементное тесто, которое со временем на воздухе или в воде уплотняется, теряет пластичность и превращается в т. наз. цементный камень. Безводные минералы клинкера превращаются при этом в соответствующие гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты(III) Ca, напр.:

ЗCaO x SiO₂ + 2H₂O Ca₂SiO₄ x H₂O + Ca(OH)₂

Ca₂SiO₄ + H₂O Ca₂SiO₄ х H₂O ЗCaO х Al₂O₃ + 6H₂O ЗCaO х Al₂O₃ х 6H₂O

Образовавшийся Ca(OH)₂ под действием CO₂ воздуха постепенно превращается в CaCO₃, гидроалюминаты Ca с гипсом в присутствии воды дают двойные основные сульфаты, напр. Ca₆Al₂(OH)₁₂(SO₄)₃ x26H₂O и Ca₄Al₂(OH)₁₂SO₄ x6H₂O. При получении бетона образовавшийся Ca(OH)₂ с CO₂ воздуха и SiO₂ превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов Ca.

^{Табл. 1 — ОСНОВНЫЕ ЦЕМЕНТЫ}

таблица в процессе добавления

_{* Гидрофобные добавки — мылонафт, олеиновая кислота, иногда триэтаноламин. ** Пластифицирующая добавка — лигносульфонаты. *** При содержании 40–48% Al2}O₃ наз. обычным глиноземистым, при содержании 60–72% Al₂O₃ — высокоглиноземистым (талюмом), при более 72% Al₂O₃ — особо чистым высоко-глиноземистым.

Существуют две осн. теории механизма гидратации Ц.: согласно одной из них, гидратация идет в растворе, из которого выпадают образующиеся гидраты, согласно второй — вода присоединяется к твердому веществу. Гидратные новообразования совместно с первоначальными частицами создают рыхлую коагуляц. структуру, в которой протекают процессы кристаллизации гидратов. При этом образуются кристаллич. сростки, пронизывающие структуру и вызывающие уплотнение цементного теста (схватывание). Началом схватывания считается начало процесса потери пластичности, концом — переход в плотное (хотя и непрочное) состояние. Нарастание прочности при твердении определяется медленной кристаллизацией гидратных составляющих цементного камня.

По прочности Ц. делится на марки, которые определяются гл. обр. пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40 х 40 х 160 мм, изготовленных из цементного раствора состава 1:3 (по массе) с кварцевым песком (срок твердения образцов в воде 28 сут с момента изготовления). Марки выражаются цифрами 300–600 (как правило, через 100), обозначающими прочность при сжатии соотв. в 30–60 МПа (табл. 2).

^{Табл. 2 — ПРОЧНОСТЬ НЕКОТОРЫХ МАРОК ЦЕМЕНТОВ}

таблица в процессе добавления

^{Лит.: Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В. В., Химическая технология вяжущих материалов, М., 1980; Кузнецова Т. В., Алюминатные и сульфалюминатные цементы, М., 1986; Taylor H.F.W., Cement chemistry, L., 1990.}

_{Т. В. Кузнецова}