Химическая энциклопедия
"ЦЕМЕНТЫ"

ЦЕМЕНТЫ , порошкообразные минер. вяжущие материалы , образующие при взаимод. с водой или водными р-рами 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% СаО, 20-23% SiO₂, 4-7% А1₂О₃, 2-5% Fе₂О₃, 1-5% MgO; минералогич. состав, в % по массе: твердые р-ры на основе 3CaO x SiO₂, или Са₃SiO₅ (алкит, 45-65%), 2CaO x SiO₂, или Ca₂SiO₄ (белит, 15-30%), алюминат кальция ЗСаО x А1₂О₃ (3-14%), алюмоферрат(III) кальция 4СаО x А1₂О₃ x Fе₂О₃ (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.).
Произ-во 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 кол-вом гипса, активными (шлак, зола, гемза) и неактивными при взаимод. с водой (кварц, карбонатные породы) минер. добавками и др. в-вами, придающими Ц. нужные св-ва (напр., пластификаторы, гидрофобные добавки).
В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинир. способы произ-ва. 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 присут. воды, к-рую 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 °С во вращающихся (редко шахтных) печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр, в загрузочную часть к-рого 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 °С и переходит в зону кальцинирования (900-1200 °С), в к-рой происходит разложение СаСО₃. Получающийся СаО в твердом состоянии взаимод. с составными частями глины и железистого компонента с образованием в экзотермич. зоне 2CaO x SiO₂, 5СаО x 3А1₂О₃, 3СаО x А1₂O₃, 4CaO x Al₂O₃ x Fe₂O₃, 2CaO x Fe₂O₃, а также СаО, MgO и др. оксидов.
В зоне спекания при т-ре 1450 °С обжигаемый материал (клинкер) частично плавится; в этой зоне образуется главный минерал клинкера ЗСаО x SiO₂. При дальнейшем прохождении по печи клинкер попадает в зону охлаждения (т-ра 1000-1200 °С). 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 взаимод. Ц. с водой - гидратации, затворении - первоначально образуется пластичное цементное тесто, к-рое 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) Са, напр.:

ЗСаО x SiO₂ + 2H₂O Ca₂SiO₄ x Н₂О + Са(ОН)₂
Ca₂SiO₄ + Н₂О Ca₂SiO₄ х Н₂О ЗСаО х А1₂О₃ + 6Н₂О ЗСаО х А1₂О₃ х 6Н₂О

Образовавшийся Са(ОН)₂ под действием СО₂ воздуха постепенно превращается в СаСО₃, гидроалюминаты Са с гипсом в присут. воды дают двойные основные сульфаты, напр. Са₆А1₂(ОН)₁₂(SО₄)₃ x26Н₂О и Ca₄Al₂(OH)₁₂SO₄ x6H₂O. При получении бетона образовавшийся Са(ОН)₂ с СО₂ воздуха и SiO₂ превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов Са.

Табл. 1.-ОСНОВНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Название	Вещественный состав, % по массе	Минералогнч. состав клинкера, % по массе	Особые свойства	Области применения
Портландцемент
Обычный	Клинкер (80), гипс (1,5-3,5), минер. добавки (до 20)	ЗСаО х SiO2 (45-67) 2CaO х SiO2 (13-35) ЗСаО х Al2O3 (2-12) 4СаО хAl2O3 х Fe2O3 (8-16)		Монолитный бетон для зданий и сооружений, сборные железобетонные конструкции, дорожное строительство, наружные части гидротехн. сооружений, строит. растворы
Быстр отвердеющий	Клинкер (90), гипс (1,5-3,5), активная минер. добавка (до 10)		Более быстрое твердение в течение 3 сут и более тонкий помол, чем у обычного портландцемента	Сборные железобетонные конструкции, скоростное строительство
Сульфато стойкий	Клинкер (до 96), гипс (до 3,5)	ЗСаО х SiO2 (до 50) ЗСаО х Al2O3 (5) ЗСаО х Al2O3+ (до 22) +4CaO х Al2O3 x Fe203	Повышенная стойкость к действию сульфатов, высокая морозостойкость	Для сооружений, находящихся под действием сульфатов или в условиях замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания
Высокопрочный	Клинкер (90), гипс (1,5-3,0)	ЗСаО х SiO2 (до 70) ЗСаО х Al2O3 (6-8)	Повышенная прочность	Для конструкций, находящихся под нагрузкой
Гидрофобный	Клинкер (до 90)*, гидрофобная добавка (0,05)	Тот же, что у портландцемента	Повышенные пластичность и морозостойкость	Те же, что у обычного и пластифицир. портландцементов; возможность длит. хранения цемента
Пластифицированный	Клинкер (до 90)**, пластифицирующая добавка (0,15-0,25)	"	То же	Для сооружений, нуждающихся в повышенной морозостойкости; для экономии цемента или бетонной смеси
Тампона жный	Клинкер (до 90), активная минер. добавка (до 25), инертная добавка (до 10), шлак (до 15), песок (до 10), пластифицирующая добавка (0,15)	"	Быстрое твердение и медленное схватывание	Тампонирование нефтяных и газовых скважин
Декоративный	Клинкер (до 80-85), диатомит (6), инертная минер. добавка (до 10) или минер. пигмент (до 15)	3CaO х SiО2 (45-50) 2CaO х SiO2 (23-37) ЗСаО х Al2O3 (до 15) 4СаОхAl2O3 хFe2О3(до 2)	Имеет белый цвет или окрашен в разл. цвета	Отделка зданий и сооружений, скульптурные работы
Напрягающий	Клинкер (до 85), высокоглиноземистый шлак (15-20), гипс (до 10)	ЗСаО х SiO2 2CaO х SiО2 2CaO х Al2O3 х SiO2 CaO х Al2O3 12CaO х 7Al2O3	Быстрое твердение и быстрое схватывание; расширяется при твердении более чем на 0,5 %	Напорные железобетонные трубы, тонкостенные изделия
Пуццолановый сульфатостойкий	Клинкер (до 60), добавки вулканич. (24—40) или осадочного происхождения, гипс (до 3,5)	ЗСаО х Al2O3 (до 8) 4CaO x Al2O3 x Fe2O3 3CaO x SiO2 2CaO x SiO2	Повышенная стойкость к действию сульфатов	Подводные и подземные сооружения в условиях постоянного воздействия агрессивных (сульфатных) вод
Шлакопортландцемент	Клинкер (40-70), гранулир. диатомитовый шлак (30-60), гипс (до 3,5)	Тот же, что у портландцемента	Замедленный рост прочности в нач. период твердения, пониженная морозостойкость, повышенная сульфатостойкость	Эффективен для сборного железобетона, изготовляемого с тепловлажностной обработкой
Прочие цементы
Глиноземистый***	Глиноземистый шлак (до 99), добавки (до 1)	CaO x Al2O3 12CaO x 7Al2O3 CaO x 2Al2O3 2CaO x Al2O3 xSiO2 Fe2O3	Быстрое твердение при нормальной и повышенной т-рах, высокая стойкость к действию минер. в-в; потеря прочности (до 60%) через 15-20 лет	Срочные аварийные и восстановят. работы; сооружения, подвергающиеся действию вод или О2; получение жаростойких бетонов и р-ров. Не применяется в условиях повыш. т-ры и влажности
Гипсоглиноземистый расширяющийся	Глиноземистый шлак (до 70), гипс двухводный (до 30), сульфатноспиртовая барда, бура (до 10)	To же	Расширение при твердении в воде (через 1 сут 0,15%, через 28 сут 0,3-1%), быстрое твердение; водонепроницаемы	Водонепроницаемые бетоны и р-ры, заделка стыков, ремонтные работы, тампонирование нефтяных и газовых скважин

*Гидрофобные добавки - мылонафт, олеиновая к-та, иногда триэтаноламин. **Пластифицирующая добавка - лигносульфонаты. ***При содержании 40-48% Al₂O₃ 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 р-ре, из к-рого выпадают образующиеся гидраты, согласно второй - вода присоединяется к твердому в-ву. Гидратные новообразования совместно с первоначальными частицами создают рыхлую коагуляц. структуру, в к-рой 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, к-рые определяются гл. обр. пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40 х 40 х 160 мм, изготовленных из цементного р-ра 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

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.