Цемент (нем. Zement) , собирательное название порошкообразных вяжущих веществ, способных при смешивании с водой (иногда с водными растворами солей) образовывать пластичную массу, приобретающую затем камневидное состояние. Основные виды: портландцемент, шлаковые и пуццолановые цементы, глиноземистый цемент, специальные виды цемента (например, кислотоупорный) .

    Цемент — oдин из основных строительных материалов; гидравлическое минеральное вяжущее, приобретающее при затвердевании высокую прочность, также используемое при изготовлении бетона. Его называют гидравлическим, поскольку набор прочности и затвердевание происходит в присутствии воды; полученные из цементных минералов и воды твердые соединения водостойки, то есть нерастворимы в воде. Его называют минеральным, поскольку исходные материалы, используемые для его получения, — минеральной природы (горные породы или продукты их выветривания).

Цемент принципиально отличается от других минеральных вяжущих (гипса, воздушной и гидравлической извести), которые твердеют только на воздухе или, затвердев на воздухе, иногда продолжают твердеть во внешней среде.

Исторические сведения

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

• пуццоланы (отложения вулканического пепла Везувия);

• дробленые или измельченные 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 (глинозем), оксид железа Fe2O3 — и вызывают взаимодействие с ними извести; при этом происходит присоединение воды (гидратация) с образованием в первую очередь соединений с кремнеземом. В результате кристаллизуются нерастворимые гидросиликаты кальция. В средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига загрязненных глиной известняков по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их.

После этого начался упомянутый во введении вековой период усиленного экспериментирования. При этом основное внимание было обращено на разработку специальных месторождений известняка и глины, на оптимальное соотношение этих компонентов. Только после 1844 года пришли к выводу, что, помимо точного соотношения компонентов сырьевой смеси, прежде всего необходима высокая температура обжига (порядка 1450° С) для достижения прочного соединения извести с оксидами. Эти три оксида после спекания с известью определяют гидравлические свойства, и их называют оксидами, обусловливающими гидравличность (факторами гидравличности).

Изготовление

Для изготовления цемента сначала добывают известняк и глину из карьеров. Известняк (приблизительно 75 % количества) измельчают и тщательно перемешивают с глиной (примерно 25 % смеси). Дозировка исходных материалов является чрезвычайно трудным процессом, так как содержание извести должно отвечать заданному количеству с точностью до 0,1 %.

Эти соотношения определяются в специальной литературе понятиями «известковый», «кремнистый» и «глиноземистый» модули. Поскольку химический состав исходных сырьевых материалов вследствие зависимости от геологического происхождения постоянно колеблется, легко понять, как сложно поддерживать постоянство модулей. На современных цементных заводах хорошо зарекомендовало себя управление с помощью ЭВМ в комбинации с автоматическими методами анализа.

Правильно составленный шлам, подготовленный в зависимости от избранной технологии (сухой или мокрый метод), вводится во вращающуюся печь (длиной до 200 м и диаметром до 2—7 м) и обжигается при температуре около 1450 °C — так называемой температуре спекания. При этой температуре материал начинает оплавляться (спекаться), он покидает печь в виде более или менее крупных комьев клинкера (называемого иногда и портландцементным клинкером). Происходит обжиг.

В результате этих реакций образуются клинкерные материалы. Полученный обжигом клинкер измельчается с небольшой добавкой гипса (максимум 6 %). Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм. Его лучше иллюстрировать понятием «удельная поверхность». Если просуммировать площадь поверхности зёрен в одном грамме цемента, то в зависимости от толщины помола цемента получатся значения от 2000 до 5000 см² (0,2—0,5 м²). Преобладающая часть цемента в специальных емкостях перевозится автомобильным или железнодорожным транспортом. Все перегрузки производятся пневматическим способом. Меньшая часть цементной продукции доставляется во влаго- и разрывостойких бумажных мешках. Хранится цемент на стройках преимущественно в силосах.

Виды цемента

По прочности цемент делится на марки, которые определяются главным образом пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40*40*160 мм, изготовленных из раствора цемента состава 1 к 3 с кварцевым песком. Марки выражаются в числах 100—600 (как правило с шагом 100) обозначающим прочность при сжатии соответственно в 10-60 МПа. Цемент с маркой 600 благодаря своей прочности называется «Военным» и стоит заметно дороже марки 500. Применяется для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и т. д.

Также по прочности в настоящее время цемент делится на классы. Основное отличие классов от марок состоит в том, что прочность выводится не как средний показатель, а требует не менее 95 % обеспеченности (то есть из 100 образцов 95 должны соответствовать заявленному классу). Класс выражается в числах 30-60, которые обозначают прочность при сжатии (в МПа).

К группе цементов, применяемых для приготовления цементных бетонов и растворов, относятся все виды портландцементов, шлакопортландцементов, пуццолановых портландцементов, песчанистый портландцемент, глиноземистые цементы, расширяющиеся и безусадочные цементы и сульфато-шлаковый цемент.
Портландцемент — гидравлическое вяжущее, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер получается в результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава с преобладанием силикатов кальция (70—80%).
Изготовляются следующие разновидности портландцемента: пластифицированный; гидрофобный; сульфатостойкий; с умеренной экзотермией; быстротвердеющий; -белый; цветной; тампонажный; для бетонных покрытий автомобильных дорог; для производства асбестоцементных изделий; магнезиальный.
Пластифицированный портландцемент изготовляется путем введения в обычный портландцемент при его помоле пластифицирующей поверхностно-активной добавки, придающей бетонам и растворам на этом цементе повышенную подвижность, удобо-укладываемость и морозостойкость.
Гидрофобный портландцемент изготовляется путем введения в обычный портландцемент гидрофобно-пластифицирующей добавки, понижающей гигроскопичность цемента при его хранении и повышающей подвижность, удобоукладываемость и морозостойкость бетонов и растворов на этом цементе. Гидрофобный портландцемент не комкуется и практически не теряет прочности при длительных перевозках и хранении.
Сульфатостойкий портландцемент изготовляется из клинкера нормированного химического и минералогического составов. Он обладает повышенной сульфатостой-костью и пониженной экзотермией, необходимыми для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и других сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии при одновременном систематическом попеременном замораживании и оттаивании, увлажнении и высыхании.
Портландцемент с умеренной экзотермией изготовляется из клинкера нормированного минералогического состава, обеспечивающего при несколько повышенной сульфатостойкости умеренную экзотермию, необходимую при изготовлении бетонных и железобетонных конструкций, работающих в пресной или слабо минерализованной воде и в условиях систематического многократного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания.
Быстротвердеющий портландцемент обладает более интенсивным, чем обычный портландцемент, нарастанием прочности в начальный период твердения.
Белый портландцемент — гидравлическое вяжущее белого цвета, изготовляемое путем совместного тонкого измельчения маложелезистого клинкера, получаемого спеканием при обжиге сырьевой смеси соответствующего состава, активной минеральной добавки и гипса. Активная минеральная добавка и гипс в тонкоизмельченном состоянии должны иметь белизну не ниже установленной для цемента данного сорта. Для повышения белизны и устранения зеленоватых оттенков клинкер подвергается отбеливанию.
На основе белого портландцемента (или клинкера) путем тщательного смешивания или совместного помола с красящими пигментами могут быть получены цементы различных цветов.

Цветной портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного помола портландцементного клинкера с пигментным сырьем, минеральными или органическими пигментами, а также помола цветных клинкеров с активной минеральной добавкой в количестве до 6% и необходимым количеством гипса. Для производства цветных цементов используется клинкер белого портландцемента, цветной клинкер, а также отбеленные клинкеры с пониженным содержанием красящих окислов железа и марганца.
Цветные портландцемента подразделяются на следующие разновидности: желтые, розовые, красные, коричневые, зеленые, голубые и черные.
Тампонажный цемент, являющийся разновидностью портландцемента, обладает высокой прочностью в начальные сроки твердения, необходимой при тампонировании нефтяных и газовых скважин.

Тампонажный цемент выпускается двух видов: «для холодных» скважин и для «горячих» скважин. Он применяется в виде цементного теста состава 1:0с повышенным содержанием воды (40—50%).
Портландцемент (в том числе пластифицированный и гидрофобный), предназначенный для бетонных покрытий автомобильных дорог, должен удовлетворять следующим специальным требованиям:

1. введение инертных добавок в состав портландцемента не допускается;
2. допускается введение в состав портландцемента при его помоле активных минеральных добавок только в виде гранулированного доменного шлака в количестве не более 15%;
3. расчетное содержание трехкальциевого алюмината в клинкере допускается не более 10% .

Портландцемент для производства асбестоцементных изделий — гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера нормированного химического и минералогического состава и гипса; цемент не должен содержать никаких активных или инертных минеральных добавок.
Магнезиальный портландцемент — гидравлическое вяжущее, продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого путем обжига до спекания обогащенной окисью Железа искусственной смеси известково-магнезиальных и глинистых пород, состав которой обеспечивает преобладание в полученном клинкере силикатов кальция.
Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера, необходимого количества гипса и доменного гранулированного шлака или путем тщательного смешивания тех же материалов, измельченных раздельно. Весовое содержание шлака в шлакопортландцементе должно находиться в пределах 30—70% .
К разновидностям шлакопортландцемента относятся быстротвердеющий шлакопортландцемент и шлаковый магнезиальный портландцемент.
Шлакопортландцемент обладает примерно такой же воздухостойкостью, как и обычный портландцемент, но бетоны и растворы на основе шлакопортландцемента в отношении морозостойкости уступают бетонам и растворам на обычном портландцементе.
Шлакопортландцемент не оказывает корродирующего действия на заложенную в бетон стальную арматуру и достаточно прочно сцепляется с ней. Поэтому его применяют в железобетонных конструкциях наравне с портландцементом. Схватывание и твердение шлакопортландцемента происходит медленнее, чем портландцемента, особенно при низких положительных температурах.

При твердении шлакопортландцемента выделяется меньше тепла, чем при твердении портландцемента. Это позволяет эффективно применять шлакопортландцемент в массивных сооружениях.
Быстротвердеющий шлакопортландцемент обладает более интенсивным, чем обычный шлакопортландцемент, нарастанием прочности в начальный период твердения. Количество доменного гранулированного шлака в быстротвердеющем шлакопортландцементе должно составлять не менее 30 и не более 50% от веса цемента.
Шлаковый магнезиальный портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением магнезиального портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака и необходимого количества гипса или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Весовое содержание гранулированного доменного шлака должно составлять не менее 30 и не более 70% от веса готового продукта.
Пуццолановый портландцемент — гидравлическое вяжущее, твердеющее в во-Де и во влажных условиях, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера, необходимого количества гипса и активной минеральной добавки или путем тщательного смешивания тех же материалов, измельченных раздельно.
Бетоны, изготовленные из пуццоланового портландцемента, отличаются повышенной водостойкостью и водонепроницаемостью. Пуццолановый портландцемент эффективно твердеет в воде и во влажных условиях. При твердении на воздухе он дает несколько большую усадку, чем портландцемент.

Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на пуццолановом портландцементе ниже, чем бетонов на портландцементе.
Пуццолановый портландцемент при твердении выделяет меньше тепла, чем портландцемент, поэтому его не следует применять для бетонных работ при пониженных температурах, целесообразно его использование для бетонирования массивных сооружений.
Сульфатостойкий пуццолановый портландцемент изготовляется из клинкера нор. мированного химического и минералогического состава, обеспечивающего повышенную по сравнению с обычным пуццолановым портландцементом сульфатостойкость, необходимую для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, работающих в подводных или подземных частях сооружений в условиях сульфатной агрессии .
Песчанистый портландцемент представляет собой вяжущее, наиболее эффективно твердеющее при автоклавной обработке и состоящее из смеси тонкоизмельченно-го портландцементного клинкера и кварцевого песка при необходимой добавке гипса. Его получают путем совместного помола составляющих компонентов или тщательного смешивания тех же компонентов, измельченных раздельно.
Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, изготовляемого расплавлением или обжигом до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в готовом продукте низкоосновных алюминатов кальция.
К разновидностям глиноземистого цемента относится высокоглиноземистый цемент.
Обязательным условием для нормального твердения глиноземистого цемента и длительного сохранения им прочности является пониженная положительная температура твердения (ниже 25° С) в начальные и последующие сроки твердения, ввиду чего эти цементы не допускается применять в условиях жаркого климата.

Запрещается смешивать глиноземистый цемент с портландцементом и другими видами цементов.
Высокоглиноземистый цемент отличается от обычного глиноземистого цемента более высоким содержанием глинозема, обладает высокой огнеупорностью и применяется для изготовления высокоогнеупорных бетонов и растворов.
Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) является быстро схватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, высокопрочного или строительного гипса и молотого высокоосновного гидроалюмината кальция примерно в следующих соотношениях: глиноземистого цемента — 70, гипса — 20, четырех кальциевого гидроалюмината — 10%.
Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) является быстросхватывающим-ся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем тщательного смешивания тех же компонентов, что и при производстве расширяющегося цемента ВРЦ, но в других соотношениях.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент является быстротвердеющим гид-дравлическим вяжущим, получаемым совместным тонким измельчением высокоглиноземистых шлаков (70%) и природного двуводного гипса (30%).
Сульфатно-шлаковый цемент — гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения высушенных гранулированных доменных шлаков я гипса или природного либо высокообожженного сульфата кальция, размолотых с небольшой добавкой портландцемента, извести или обожженного доломита.

Важнейшим свойством сульфатно-шлаковых цементов является повышенная стойкость в сульфатных водах. При твердении сульфатно-шлаковый цемент выделяет меньше тепла, чем портландцемент. Сульфатно-шлаковый цемент не оказывает корродирующего действия на заложенную в бетон стальную арматуру.
Категорически запрещается смешивание сульфатно-шлакового цемента с известью, портландцементом и его разновидностями и другими цементами.
Известь. Строительная известь получается путем обжига ниже температуры спекания кальциево-магниевых карбонатных горных пород — известняков, мела, поломитизированных известняков, доломитов и мергелистых известняков и выпускается в комовом или тонкоизмельченном виде.
Тонкоизмельченная строительная известь получается путем гашения или размола комовой извести, в процессе которого допускается введение минеральных тонко-молотых добавок.
По условиям твердения известь строительная разделяется на воздушную и гидравлическую.

Известь строительная воздушная — продукт, получаемый путем обжига до возможно полного выделения углекислоты из чистых или доломитизированных из-ветняков. Она обеспечивает твердение и сохранение прочности строительных раствори в воздушно-сухих условиях.
Известь строительная воздушная изготовляется следующих видов: негашеная комовая — продукт обжига карбонатного сырья с содержанием глинистых примесей не более 6%;
негашеная молотая— продукт помола комовой извести, а также совместного помола извести с различными минеральными добавками;
гидратная (пушонка) — продукт гидратации негашеной извести, влажность извести-пушонки не должна превышать 5%, считая на влажное вещество;
молотая карбонатная — продукт совместного помола негашеной извести и карбонатных пород.
Известь строительная воздушная комовая негашеная, молотая и известь гидратная выпускаются двух сортов: первого и второго.
Известь строительная гидравлическая выпускается в порошкообразном виде и представляет собой тонкомолотую обожженную мергелистую карбонатную горную породу с содержанием глинистых примесей от 6 до 20%.
Растворы и бетоны на гидравлической извести после затвердения на воздухе продолжают твердеть и сохранять свою прочность и под водой.
По скорости гашения известь подразделяется на быстрогасящуюся (менее 20 мин) и медленногасящуюся (более 20 мин). Содержание непогасившихся зерен в комовой извести после ее гашения должно быть не более 10% в 1-м сорте и не более 20% — во 2-м.
Известково-шлаковые, известково-пуццолановые, известково-кремнеземистые, известково-нефелино-вые вяжущие и романцемент. Известково-шлаковые (гидравлические) вяжущие получают путем совместного измельчения высушенных гранулированных Доменных шлаков и извести (гидравлической или воздушной) или тщательного смешивания в сухом виде тех же материалов, измельченных раздельно в тонкий порошок. Содержание извести должно находиться в пределах 10—30%.
Для регулирования сроков схватывания и улучшения процессов твердения добавляется при помоле этого вяжущего около 5% гипса; возможна также добавка 10—20% Портландцемента.
Известково-шлаковое вяжущее медленно схватывается и медленно твердеет, но при длительном нормальном твердении во влажных условиях или в воде приобретает значительную прочность.
Морозостойкость бетона и раствора на известково-шлаковых вяжущих низка 1 значительно повышается при наличии в их составе около 20% портландцемента.
Известково-пуццолановые вяжущие подразделяются на следующие:
1. Известково-пуццолановые, получаемые путем совместного измельчения активной минеральной добавки с известью и при необходимости с добавкой портландцемента;
2. Известково-зольные (в том числе сланцезольные), получаемые путем совместного помола топливных зол и шлаков, содержащих окись кальция в количестве не менее 15% с кремнеземистой активной минеральной добавкой и при необходимости с добавкой портландцемента.

Для регулирования сроков схватывания и улучшения процессов твердения при помоле этих вяжущих добавляется около 5% гипса.
Известково-пуццолановые вяжущие твердеют медленно при пониженных положительных температурах и быстрее при тепловлажностной обработке, особенно в автоклаве.
Известково-кремнеземистые и известково-нефелийовые вяжущие представляют собой тонкоизмельченные смеси материалов надлежащего состава. Бетоны на этих вяжущих в результате кратковременного твердения в автоклавах образуют прочный камень.
Известково-кремнеземистые вяжущие состоят из смеси тонкоизмельченных кремнеземистых материалов (кварцевый песок, маршалит, песчаники, активные минеральные добавки и др.) и необходимого количества извести.
Известково-нефелиновые вяжущие состоят из смеси тонкоизмельченного высушенного нефелинового шлама, характеризующегося высоким содержанием двухкальциевого силиката, и необходимого количества извести.
Романцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое путем измельчения в тонкий порошок обожженных известковых или магнезиальных мергелей или же искусственных смесей известняков и глин при температурах, при которых обжигаемый материал не доводится до спекания. Сроки схватывания романцемента от начала затвердения должны быть: начало не ранее 15 мин, конец — не позднее 24 ч.
Гипсовые вяжущие. Это воздушные вяжущие, получаемые путем тепловой обработки гипсового сырья и помола до или после этой обработки. Производятся следующие виды гипсовых вяжущих материалов: гипс строительный; гипс формовочный; гипс технический (высокопрочный); ангидритовое вяжущее; высокообжиговый гипс;
гипсовые вяжущие из гипсосодержащих пород.
При производстве гипса строительного для регулирования сроков схватывания и улучшения его физико-механических свойств допускается введение добавок. В зависимости от качества гипс строительный подразделяется на первый и второй сорт.
Гипс формовочный— продукт тепловой обработки гипсового природного камня, отличающийся от гипса строительного более тонким помолом и большей прочностью. Величина относительного объемного расширения формовочного гипса не должна превышать 0,15%.
Гипс технический (высокопрочный) — продукт, получаемый тепловлажностной обработкой гипсового камня под давлением с последующим его размолом. Гипс технический отличается сравнительно малой водопотребностью и повышенной прочностью.
Ангидритовое вяжущее — продукт обжига при температуре 600—800° С гипсового камня или природного ангидрита (без обжига), измельченного в тонкий порошок совместно с различными добавками (катализаторами).
В качестве добавок при изготовлении ангидритового вяжущего применяют бисульфат или сульфат натрия в смеси с железным или медным купоросом, известь, доломит, обожженный при температуре около 900° С, основной доменный шлак, золы горючих сланцев и др.

Высокообжиговый гипс — продукт обжига при температуре 800—1000° С сырья, состоящего из двуводного гипса или ангидрита, измельченный в тонкий порошок. Гипсовые вяжущие из гипсосодержащих пород — продукты тепловой обработки гипессодержащих пород (сажи, глиногипса) и отходов промышленности.

Не допускается их применение для изготовления изделий и конструкций, эксплуатируемых в условиях с относительной влажностью воздуха более 60%.
Магнезиальные вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, содержащие окись магния и твердеющие при затворении водными растворами некоторых солей,, главным образом хлористого или сернокислого магния.
Магнезиальные вяжущие изготовляются следующих видов:
магнезит каустический получается путем обжига при температуре диссоциации и ниже температуры спекания природного магнезита и подразделяется в зависимости от химического состава на первый, второй и третий классы;
доломит каустический (заменитель каустического магнезита для менее ответствен ных изделий), получаемый обжигом природного доломита до полного выделения углекислоты из углекислого магния с последующим помолом.
В качестве затворителей для магнезиальных вяжущих применяется водный раствор хлористого или сернокислого магния. Как заменители при специальном обосновании для затворения могут быть применены растворы следующих солей: хлористого или сернокислого железа, хлористого цинка, отходящей рапы (отходы при извлечении бромг из морских озер), карналита искусственного, растворы соляной или серной кислот.
Магнезиальные вяжущие могут применяться только при условии твердения их на воздухе с относительной влажностью менее 60% .
Стекло жидкое. Стекло жидкое подразделяется на натриевое и калийное.
Натриевое стекло жидкое применяется в качестве вяжущего в виде водного раствора совместно с кремнефтористым натрием или другими специальными добавками и молотыми наполнителями. В строительстве применяется натриевое стекло жидкое с модулем от 2,5 до 3. Кремнефтористый натрий технический применяется 1-го и 2-го сортов.
Калийное стекло жидкое применяется в виде водного раствора в качестве связующего в силикатных красках, мастиках и замазках. Модуль калийного жидкого* стекла должен быть в пределах от 3 до 4; удельный вес — от 1,4 до 1,42.
Натриевое стекло жидкое применяется для:
уплотнения (силикатизации) грунтов, бетонной и каменной кладки;
приготовления жароупорных и огнеупорных бетонов с предельной температурой эксплуатации не более 1400° С;
приготовления кислотостойких бетонов и растворов;
приготовления огнезащитных обмазок.
Калийное стекло жидкое применяется для приготовления:
1. силикатных красок, предназначаемых для окраски фасадов и внутренних поверхностей производственных зданий;
2. кислотостойких бетонов и растворов.

Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент представляет собой порошкообразный материал, изготовляемый путем совместного помола или тщательного смешивания раздельно измельченных кварцевого песка и кремнефтористого натрия затворяемый на водном растворе силиката натрия (стекло жидкое), после чего он превращается на воздухе в прочное камневидное тело, способное противостоять действию большинства минеральных и органических кислот.