Цементы

Цементы. Древнейшими вяжущими строительными материалами являются воздушная известь и гипс. За 30 веков до нашей эры применяли воздушную известь, а 20 веков спустя стали к извести добавлять толченый кирпич с тем, чтобы получать растворы стойкие при доступе воды, т. к. воздушная обыкновенная известь в присутствии воды не твердеет. Пирамида Хеопса, Египетский Лабиринт, Китайская Стена сложены на извести.

Человек пользуется валунами, гальками, песком — результатом деятельности разрушающих вековых сил природы — и стремится превратить эти разрушенные части в монолиты, отвечающие его потребности; полученные монолиты более или менее быстро гибнут под влиянием тех же разрушающих сил природы. Для образования монолита из крупных и мелких каменных составных частей необходим цемент. Название это происходит от латинского слова сementum, которым прежде обозначали исключительно добавки к извести с тем, чтобы сообщить ей способность твердеть в воде; цементом в петрографии называют вещества, входящие в состав камня и связующие его составные части; в технике теперь под цементом понимаются вещества, связывающие отдельные камни или песок и гравий в большие или малые монолиты. Человеку с давних пор необходимо было противопоставлять силе моря сооружения — порты, маяки — и везде, где развивались у народов стремления к морским сношениям, вызывающим необходимость в приморских сооружениях, там строителями были обнаружены залежи природного материала, способствующего созданию сооружений, противостоящих силе моря. Римляне нашли пуццолану, голландцы — трасс, прибрежные жители греческих морей — санторинскую землю и т. д. Все эти вещества, называемые теперь гидравлическими добавками, а в древности цементом, добавлялись к извести, чтобы сделать ее стойкой в воде, но они не могли, конечно, удовлетворить разрастающуюся потребность строительства. В новое время был найден цемент. О значении цемента в строительстве см. XLI, ч. V, 94 сл.

До 1700 г. была в применении только одна белая воздушная известь, и лишь в 1756 г. англичанин Смитон — знаменитый строитель Элиотовского маяка — указал первый, что применявшаяся ранее смесь воздушной взвести с гидравлическими добавками не то, что изготовленный непосредственным обжигом цемента из естественной смеси известняка с глинистым веществом. 40 лет спустя англичанин Паркер натолкнулся на вяжущее вещество, названное им роман-цемент, полученное им умеренным обжигом естественных камней определенного состава (сильного обжига тогда еще не знали). Смитон получил материал, гасившийся и рассыпавшийся в порошок после гашения. Цемент  Паркера уже не гасился при смешении его с водой, однако, он сильно нагревался и быстро схватывался. В то же время во Франции процесс открытия цемента шел независимо; исследованиями знаменитого инженера Вика (1786—1861) было установлено (1817), что смесь двух отдельно обожженных материалов (глины и извести) не одно и то же, что обжиг смеси обоих этих материалов, ибо в этом последнем случае получается новое вещество, обладающее новыми свойствами.

Далее, Аспдин, отец (1779—1856) и сын (1816—1864), установили в Англии производство цемента из искусственной смеси известняка и глины путем обжига. Обжиг и тогда еще не был доведен до спекания, так что  найденный цемент, в сущности, был роман-цемент, но приготовленный уже из искусственной смеси. Настоящий же портланд-цемент был получен впервые тоже в Англии, но в 1844 г., когда Исаак-Карл Жансон (1811—1911) достиг заводским путем температуры спекания искусственной смеси известняка и глины. Несмотря на это, принято считать 1825 г. годом появления портланд-цемента и родиной его — Англию.

Портланд-цемент изготовлялся в Англии и вывозился в другие страны Европы в Америки главным образом для постройки портов. В это время возникло осложнение в политическом мире, и для задержки постройки портов в России (в предвидении севастопольской кампании) английская королева издала декрет, запрещавший вывоз английского цемента в Россию. Это обстоятельство отразилось благоприятно на соседних государствах и даже на России и невыгодно для самой Англии: в 1850 г. в Булонь-Сюр-Мер во Франции был построен Дюпоном завод портланд-цемента. Затем началось производство портланд-цемента в Германии, а 1856 г. И. И. Цехановский в бывшей Петроковской губернии в бендинском уезде у деревни Гродзец построил завод портланд-цемента. Затем в России начало постепенно развиваться производство портланд-цемента и отчасти и роман-цемент, который получался, главным образом, близ Москвы.

В 60-х и 70-х годах в России настолько интенсивно развилась фабрикация цемента под влиянием большого его спроса для постройки железных дорог и портов, что изготовление извести стало ослабевать, а фабрикация гидравлической извести так и не началась, хотя в Европе и Америке она имеет и по настоящее время громадное значение и применение. У нас, несомненно, имеется сырье для изготовления гидравлической извести, производство которой чрезвычайно просто, а применение ее могло бы быть очень экономично.

Наука и техника настолько заинтересовались изучением портланд-цемента, что изучение свойств и методов испытания извести и гипса остались совершенно в тени, а все внимание было обращено на портланд-цемент, который детально изучен. Первые попытки нормировать качество портланд-цемента были введены во Франции в 1848 г., затем в Англии в 1859 г. (Грант) и в Германии в 1869 г. (Михаэлис). В России впервые нормы были введены в 1881 г. (профессор Н. А. Белелюбский и А. Р. Щуляченко).

Первая номенклатура вяжущих веществ у нас в стране была составлена в 1902 г. профессором А. Р. Щуляченко и в основание ее была положена выработанная на Мюнхенской международной конференции 1884 г. номенклатура, в настоящее время устаревшая. В сентябре 1923 г. по инициативе Государственного экспериментального института силикатов и Стромбюро при ВСНХ СССР была созвана небольшая конференция по строительным вяжущим веществам, на которой профессор П. А. Велихов предложил разработанную им номенклатуру вяжущих веществ с известковым основанием. Принятая на конференции номенклатура охватывает не только вырабатывающиеся фабрикаты, но и уже изученные и подготовленные для возможности получения их заводским путем.

Ниже приводим номенклатуру и график с подробной характеристикой и определением каждого продукта; гидравлические добавки выделены особо от вяжущих веществ.

Вяжущими веществами (цементом) называются порошкообразные материалы, которые по затворении их водой образуют тесто, превращающееся само по себе на воздухе или в воде в твердое камневидное тело. В зависимости от того, происходит ли твердение теста лишь на воздухе, или же, как на воздухе, так и в воде, вещества эти разделяются на воздушные вяжущие вещества, могущие применяться лишь в сооружениях, не подвергающихся действию воды, и гидравлические вяжущие вещества, могущие применяться как в сооружениях, не подвергающихся действию воды, так и в сооружениях, действию воды подвергающихся. Все вяжущие вещества могут быть разделены на следующие группы.

Группа I

Вяжущие вещества, получаемые из соответственного сырья путем его обжига.

А. Воздушные вяжущие вещества.

(Воздушные цементы).

1. Воздушная известь есть продукт, получаемый обжигом, до возможно полного выделения СО₂, чистых или доломитизированных известняков, не содержащих значительных примесей глинистых веществ. Получаемая после обжига в кусках негашеная известь, главной составной частью которой является безводная окись кальцня (СаО), называется кипелкой.

Получаемая при действии на негашеную известь ограниченного количества воды гашеная известь, имеющая вид тонкого порошка, главной составной частью которого является гидрат окиси кальция — Са(ОН)₂, называется пушонкой.

В зависимости от меньшего или большего содержания глинистых и песчаных примесей, воздушная известь называется жирной или тощей.

2. Гипсовые вяжущие вещества суть продукты, получаемые из природного двуводного гипса (CaSО₄.2H₂О) или из природного ангидрида (CaSО₄), а именно:

а) штукатурный гипс (алебастр) есть продукт, получаемый умеренным обжигом природного двуводного гипса до превращения его в полуводный (2СаSО₄.Н₂О), с последующим или предшествующим обжигу перемолом его в тонкий порошок;

б) ангидритовый цемент есть продукт, получаемый обжигом природного двуводного гипса (СаSО₄.Н₂О) при температуре между 400°С и 750°С и последующим перемолом его совместно с различными добавками. Взамен обожженного двуводного гипса может быть применен природный ангидрид, непосредственно перемалываемый с соответственными добавками;

в) гидравлический гипс есть продукт, получаемый обжигом природного двуводного гипса или природного ангидрида при температуре не ниже 900°С и последующим перемолом обожженного продукта;

г) гипсовый цемент есть продукт, получаемый совместным перемолом в тонкий порошок природного двуводного гипса со специальными добавками, без последующего обжига смеси.

Применяемые при изготовлении ангидритового и гипсового цемента добавки могут быть введены в продукт и после его измола, посредством затворения его с водными растворами этих добавок.

3. Каустический магнезит есть продукт, получаемый умеренным обжигом природного магнезита (MgCO₃) и последующим измельчением его в тонкий порошок. Затворение его производится при помощи крепких растворов хлористого магния (MgCl₂), и в таком виде он известен под названием цемента Сореля. Вместо раствора хлористого магния могут быть применяемы растворы некоторых других солей.

Б. Гидравлические вяжущие вещества.

(Гидравлические цементы).

1. Гидравлическая известь есть продукт, получаемый умеренным обжигом, не доводимым до спекания, мергелистых известняков, не доломитизированных или доломитизированных, обладающий свойством при смачивании его водой полностью или частью рассыпаться в порошок (гаситься) и твердеть в воде; изготовляется в виде кусков негашеной извести (кипелка) или в виде тонкого порошка гашеной извести (пушонка). В зависимости от меньшего или большего содержания глинистых примесей, гидравлическая известь называется слабой или сильной.

2. Роман-Цемент есть продукт, получаемый механическим измельчением в тонкий порошок предварительно обожженных при температуре, не доводящей материал до спекания, естественных глинистых или магнезиальных мергелей, или же искусственных смесей магнезиальных известняков, или доломитов с глинистыми материалами; продукт этот после обжига при смачивании водой не гасится (не распадается в порошок), но тесто из роман-цемента твердеет в воде.

3. Портланд-цемегь есть продукт тончайшего перемола клинкера, получаемого равномерным и сильным обжигом до спекания тщательно дозированных искусственных смесей материалов, содержащих углекислую известь и глину, или естественных материалов (глинистых известняков) надлежащего состава; при применении искусственных смесей глина может быть заменена полностью или частично доменным шлаком надлежащего состава. Количество посторонних веществ, прибавляемых к продукту после обжига для урегулирования его свойств, не должно превышать 3% по весу. Отношение % содержания по весу окиси кальция (СаО) к сумме % содержания по весу кремнезема, глинозема и окиси железа (SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃), т. е. значение величины СаО/(SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃) (основной или гидравлический модуль), в готовом продукте должно заключаться в пределах от 1,7 до 2,4. Портланд-цемент, в котором отношение % содержания по весу кремнезема (SiO₂) к сумме % содержания по весу полуторных окислов (Al₂O₃ + Fe₂O₃), называется «кремнеземным модулем», превышает 3,5 — называется «кремнеземистым портланд-цемент.

4. Глиноземистый или бокситовый цемент есть продукт тонкого перемола вещества, получаемый сильным обжигом до сплавления или спекания смесей материалов, богатых глиноземом (боксит с известью или известняком). Группа II

Вяжущие вещества, получаемые смешением продуктов первой группы со специальными порошкообразными добавками без последующего обжига смеси.

Все вещества этой группы принадлежат к категории гидравлических вяжущих веществ.

А. Вещества, получаемые смешением извести с гидравлическими добавками.

1. Известково-шлаковые цементы суть продукты совместного перемола или теснейшего смешения порошкообразной гашеной извести с предварительно измолотыми в тонкий порошок гранулированными основными доменными шлаками; весовое содержание гашеной извести в готовом продукте колеблется от 10% до 30%.

2. Известково-пуццолановые цементы суть продукты совместного перемола или теснейшего смешения порошкообразной гашеной извести с предварительно измолотыми в тонкий порошок естественными гидравлическими добавками; весовое содержание гашеной извести в готовом продукте колеблется от 10% до 30%.

Б. Вещества, получаемые смешением портландского цемента с гидравлическими добавками.

1. Шлаковые портланд-цементы суть продукты, получаемые путем тщательного механического смешения заводским путем. Портланд-цемент  с тонко измельченным основным гранулированным доменным шлаком надлежащего состава; весовое содержание шлака колеблется от 30% до 70% всей смеси.

Состав основного доменного шлака, получаемого при плавке чугуна на минеральном топливе, должен удовлетворять требованию, чтобы весовое отношение основных окислов (CaO—MgO) к кислотным (SiO₂—Аl₂O₃) было, во всяком случае, более единицы.

2. Пуццолановые портланд-цементы суть продукты,  получаемые путем тщательного механического смешения заводским путем портланд-цемента с тонко измельченными гидравлическими добавками. Весовой процент содержания портланд-цемента в продукте определяется в зависимости от состава и свойств добавки.

Гидравлические добавки

(Пуццоланические вещества).

В порошкообразном состоянии гидравлические добавки, затворенные с водой, не способны самостоятельно отвердевать, но в смеси с известью образуют тесто, способное отвердевать в воде; те же добавки применяются также и в смеси с портланд-цементом.

Гидравлические добавки разделяются на естественные и искусственные.

А. Естественные, — встречающиеся в природе в готовом виде и не требующие для своего применения никакой обработки, кроме измельчения и отсеивания.

Б. Искусственные, — получающиеся после термической и механической обработки естественных материалов.

А. Естественные гидравлические добавки.

1. Пуццоланы, находимые в природе в виде измельченных, порошкообразных пород, каковыми являются рыхлые вулканические туфы, как, например, римская и неаполитанская пуццолана, санторинская земля и т. п.

2. Трассы, находимые в природе в виде более или менее твердых пород, требующих для своего употребления механического измельчения, каковыми являются твердые вулканические туфы, как, например, андернахский трасс, карадагский трасс и т. п.

3. Кремнеземистые осадочные породы рыхлого сложения, каковыми являются диатомовая (инфузорная) земля, кизельгур, трепел и т. д.

Б. Искусственные гидравлические добавки.

1. Гранулированные основные доменные шлаки обладают слабыми гидравлическими свойствами и могут отвердевать самостоятельно, но ввиду того, что пуццоланические свойства в них выражены очень резко, относятся к гидравлическим добавкам.

2. Глинистые материалы, надлежащим образом обожженные и измельченные в тонкий порошок, также называемые цемянками (обожженная глина, битый кирпич и. т. п.).

3. Гезы или иные аналогичные им природные, богатые кремнеземом, материалы, предварительно подвергнутые обжигу и затем измельченные.

В два раздела первой группы включено 11 различных цементов, из коих, однако, пока еще не все производятся. 

Из них наиболее отстали гипсовые вяжущие вещества, в числе коих, в сущности, производится только один штукатурный гипс (алебастр); до войны начали вырабатывать гидравлический гипс, шедший, главный образом, для изготовления верхней поверхности полов (германское название - эстрих-гипс). У нас в торговле различают особо алебастр и гипс, а также хирургический гипс. В номенклатуре, однако, эти разновидности не нашли себе отражения, потому что все они только отличаются по своей чистоте и мелкости своего помола, будучи, в сущности, все гипсами. Наиболее чистые, мелко измолотые гипсы и быстро охватывающиеся (более дорогие) идут для хирургических и зубоврачебных целей; менее чистые и не столь мелко измолотые гипсы, но все же быстро схватывающиеся — для отливок и моделирования; наконец, наименее чистые гипсы и не столь мелко немолотые и охватывающиеся более медленно идут для штукатурных работ и носят в продаже название алебастра.

Остальные вяжущие гипсовые вещества еще не вырабатываются заводским путем, но лабораторно они вполне установлены.

Следующее вяжущее вещество в подгруппе А группы I — каустический магнезит, служит для изготовления так называемого цемента Сорель. Цемент Сорель идет, главным образом, для изготовления полов из древесных опилок, асбеста, песка; полы эти носят самые различные названия: асболитовые, ксилолитовые, папарололитовые и т. п. Кроме того, цемент Сорель служит для изготовления искусственных жерновов.

Что касается подгруппы Б группы первой, то у нас в стране гидравлической извести пока не выделывается, хотя для нее сырье, несомненно, у нас в стране имеется в очень многих местах.

Роман-цемент вырабатывался, главным образом, под Москвой (заводов до 10) и в нескольких местах (3-4) во всей остальной стране. Наш роман-цемент был магнезиальный, и название ему было бы правильнее дать доломит-цемент;   за границей известен роман-цемент и без магнезии. Выработанные нормы для роман-цемента не подходят к нашему магнезиальному роман-цементу. При вполне хорошем продукте раствор, состоявший из смеси с песком 1:2,5 до 1:3,5 находил широкое применение в гражданском строительстве. Роман-цемент хорошего качества схватывается и твердеет в течение времени от 15 мин. до 10 час.

В настоящее время производство роман-цемента стремятся снова наладить.

В последнее время сортов цемент стало больше: появился бокситовый цемент, называемый глиноземистым и плавленным; кроме того, заводы портланд-цемента стали изготовлять цемент, которому, согласно германской номенклатуры, дали название «высокосортного портланд-цемента». Изготовление первого цемента еще ограничено, т. к. для его изготовления необходимы особые сырые материалы; у нас в стране пока еще нет этих цемент, хотя сырье и имеется (тихвинские бокситы). Название высокосортных цементов, заимствованное из Германии, не точно отвечает свойствам таковых цементов. Им следовало бы дать несколько более сложное и длинное название: «рано-высоко-крепкие», имея в виду, главным образом, высокую крепость, которой таковые цементы достигают в самые ближайшие сроки. Родина таковых цементов — Австрия, почему на них там уже установлены особые нормы. Высокосортные портланд-цементы начинают получать и наши заводы.

Их особенность в производстве, главным образом, сводится к наиболее совершенному подбору сырых материалов и к более тщательному их производству, отвечающему в точности составу сырой смеси, и затем более мелкому помолу. Благодаря более тонкому производству стоимость высокосортных портланд-цементов выше обыкновенных портланд-цементов. В следующей таблице показаны крепость на разрыв и сжатие цемент по различным нормам.

Из сопоставления временных сопротивлений портланд-цементов по различным нормам (нашим и заграничным) не  следует, однако, делать тот вывод, что наш портланд-цемент много слабее заграничного. В значительной степени на введенные в нормы величины временных сопротивлений сжатию и растяжению раствора 1:3 портланд-цемент с так называемым нормальным песком¹⁾ оказывает влияние методология самого механического испытания цемента. И для выравнивания наших норм на портланд-цемент с заграничными нормами должно ввести в нашу методологию испытания портланд-цемента такие изменения, чтобы внешние признаки нашего портланд-цемента (по испытаниям) без фактического изменения его качества подравнялись бы с внешними признаками заграничного портланд-цемента.

Это разногласие в методологиях нашей и заграничной заключается, главным образом, в качестве так называемого нормального песка (наш песок мельче заграничного) и в работе трамбования восьмерок и кубиков из раствора 1:3 для испытания их на разрыв и на сжатие (наша работа трамбования меньше заграничной).  

К сказанному должно еще добавить, что одни более высокие нормы на разрыв и на сжатие без изменения самой методологии поведут к поднятию стоимости продукции, а кроме того более высокое качество портланд-цемента не может быть использовано строительством, имея ввиду, что строительные растворы не могут быть применены более тощими, т. к. при этом нет гарантии в полнейшей однородности растворов в их общей массе, а кроме того очень тощие растворы становятся пористыми, неприменимыми во многих случаях, особенно в железобетоне, в котором при пористом растворе железо скоро будет пропадать от ржавчины.

Ко второй группе относятся четыре цемента: два с известковым основанием и два с портланд-цементным основанием. Все эти цементы начинают выделывать наши заводы, но пока практика еще не дала полной их оценки.

¹⁾ Нормальный песок получается из обыкновенного кварцевого песка (кварца не меньше 95%) промывкой и просевкой через сита с особо установленным числом отверстий на кв. см.

Два известковых смешанных цемента должны дать экономически выгодные растворы, а два портланд-цементных смешанных цемента могут дать устойчивые растворы в минерализованных водах, в которых чистый (без добавок) портланд-цемент нередко дает неустойчивые растворы, разрушающиеся солями, находящимися в воде, действующими на сооружения. Здесь,  однако, должно иметь ввиду надобность и лабораторную возможность определять количество и существо самих подбавляемых к портланд-цементу гидравлических добавок, от которых существенно зависит качество и свойство смешанных цементов, входящих в подгруппу Б группы II. На все вяжущие вещества должны быть составлены нормальные технические условия, определяющие качества стандартных цементов, а также должны быть разработаны методологии, как механических испытаний, так и химических анализов.

Следуя стандартам лаборатории, и испытательные станции могут давать правильную оценку испытуемых цементов. Некоторые из таковых уже составлены, а  по другим необходимо еще составить и провести в установленном порядке во всесоюзном масштабе.

Н. Лахтин.