История производства цемента химия

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 цементов- глиноземистый, гипсоглиноземистый расширяющийся (табл. 1).

Получение. Сырьем для получения цементов 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 цементов 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 цементам 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. цементов 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

Источник

История цемента

Без цемента невозможно представить себе стройку. Он применяется при обустройстве фундамента, возведении стен, внутренней отделке и для облагораживания территории вокруг дома. Сейчас существует много марок цемента, который отличается составом и своими свойствами, но так было не всегда. История цемента начинается еще в Древнем Риме.

Что представляет собой цемент

Главное свойство цемента – это способность при взаимодействии с водой трансформироваться в вязкую пластичную массу, которая со временем твердеет, застывает и превращается практически в камень. Из цемента делают бетон, готовят строительные растворы. Еще одна особенность в том, что во влажных условиях он только крепнет, чем сильно отличается от материалов вроде гипса. Цемент – это, по сути, порошок из клинкера с различными наполнителями. Он имеет серый цвет. Когда смесь глины с известняком нагревают практически до 1500 градусов, они превращаются в гранулы клинкера. Из перемешивают с гипсом, измельчают в порошок и получается цемент. В его состав входит: · оксид кальция 67%; · диоксид кремния 22%; · окись алюминия 5%; · оксид железа 3%; · наполнители 3%. Главная характеристика стройматериала – это марка, она отмечается буквой М и цифрами. Они обозначают нагрузку, которую после застывания выдержит материал. Чем выше марка, тем прочнее цемент. Кроме М, в маркировке можно встретить еще букву Д, она указывает количество введенных добавок. Технические характеристики, состав регламентируются ГОСТами, но так было не всегда.

Первые упоминания

Сказать точно, когда был изобретен цемент, невозможно. Первые вяжущие смеси возникли еще 4 тысячелетия до нашей эры. Сначала применяли обычную глину, затем горные породы обжигали и перетирали в порошок. Первыми искусственными соединениями были гипс и известь. Известь использовали сначала лишь для обработки стен с внешней стороны сооружений, чтобы лучше защитить их от непогоды. Потом покрытия становились все прочнее, материал нашел применение и при внутренней отделки помещений. Гипс вошел в обиход, начиная с третьего тысячелетия. В строительстве его использовали различными способами: 1. Добавляли при замешивании растворов, чтобы выполнять кладку стен. 2. Он стал компонентом штукатурок. 3. Был востребован для формирования лепнины, отделки зданий. Известь в это время часто смешивали с золой. Она использовалась как связующий компонент при каменной кладке и для формирования изделий из мелких камней. Большую роль в развитии строительных смесей сыграли финикийцы. Сначала в 12 веке до нашей эры они использовали гидравлическую известь для сооружения известных объектов на Кипре, а затем в 10 веке до нашей эры ввели в строительство кирпичную муку. Ее применяли, чтобы цистерны и древние водопроводы не пропускали воду. В 5 веке греки стали использовать известково-карбонатные смеси, которые уже напоминали современный бетон. Ученый Витрувий примерно в 13 году до н.э. написал трактат, посвященный архитектуре. В нем, кроме прочего, было описание процесса обжига извести, получения растворов из этого вещества, особенности отверждения, применение компонента.

Наша эра

Примерно в 400-х годах нашей эры Иероним Стридинский под словом «цемент» подразумевал уже строительный раствор, а его современник Апполинарий Сидоний именовал этим словами «смесь для штукатурки». В этот период сформировалось основное предназначение цемента. Позже, в 5 веке, гидравлическую известь с различными добавками (сахаристые соединения, гипс, цемянка) широко использовали при обустройстве дорог и гидротехнических сооружений в Индии. В 7-8 веках человечество вновь обратило свое внимание на гипс. Его активно применяли для получения декоративных покрытий, отделки помещений в Западной Европе. В 10 веке, благодаря своим замечательным гидроизоляционным свойствам, в строительстве снова приобретает популярность кирпичная мука. С 13 века за словом «цемент» окончательно укрепилось обозначение вяжущего вещества, раствора. С тех пор активно стало развиваться его производство, усовершенствовался состав и технология получения.

Дальнейшее развитие истории цемента

В 16 веке в Москве был издан особый приказ, он именовался «Каменный приказ» и содержал предписания по заготовке камня, изготовлению кирпича, производству извести. В это время начинают делать сухие строительные смеси, которые именуют «цементом» или «сементом». Для улучшения их характеристик, увеличения прочности возводившихся зданий, в состав вводят добавки: · кизяк; · яйца или яичный белок; · кровь быков; · творог и другие молочные продукты. Большое значение для истории цемента сыграли исследования немецкого ученого Фукса. В 19 веке он указал, что кремнеземистый минерал, если его подвергнуть обжигу, пригодится для получения гидравлического цемента. Многие породы, кроме кремнезема, например, глина и полевой шпат, после прохождения обжига при смешивании с известью от воды твердеют. В те времена вопрос стоял о добыче сырья, затратах энергии на производство. Также в самом начале 19 века французский инженер Вика доказал опытным путем, что известковые минералы с добавками глины, если их прокалить, образуют гидравлическую известь, то есть формируют смеси, которые твердеют под водой. Вика проводил много экспериментов по обжигу глины, смешивал ее с известью, добивался их твердости от влаги. Такие смеси именовали «цемянкой» или «пуццоланой». Вика ставил эксперименты на разных типах обработки глины и других породах. Поэтому во Франции стало стремительно развиваться изготовление цемента за счет прокаливания глины с известняком.

Челиев – прародитель современного цемента

Большой вклад в развитие цемента внес Е.Г. Челиев. В 1822 году в Петербурге была издана его работа. В трактате речь шла об искусстве получения качественных строительных смесей. Чуть позже в 1825 году увидела свет еще одна его книга. В ней было подробно описано, как делать прочный и одновременно дешевый цемент, который пригодится даже для подводных сооружений. В ней автор обобщил опыт ученых об улучшении характеристик связующих растворов, которые были использованы при восстановлении Кремля, пострадавшего от военных действий 1812 года. Челиев принимал непосредственное участие при восстановлении Москвы. В этот период он много экспериментировал в поисках оптимального связующего соединения для каменных кладок и кирпичей. В результате, он пришел к выводу, что обжиг при очень высоких температурах (порядка 1200 градусов) смеси глины и известняка дает спекшийся продукт, который после измельчения имеет исключительные механические свойства, прекрасно твердеет от погружения в воду. Именно поэтому Челиева считают изобретателем теперешнего цемента.

Получение портландцемента

Все началось еще в 1824 году, когда в Британии Джозеф Аспдин получил патент на изготовление так называемого искусственного камня. Он нагревал глину с известняком в домашней печке, после чего дробил получившиеся комки в пыль. Так получил цемент, который назвал портландцементом, поскольку сырье он брал из карьера вблизи Портленда. Изобретение было представлено на выставке в Лондоне в 1851 году. Обжигать глинистые известняки в печах, предназначенных для получения кирпича, стали и в Америке в 1871 году. Однако печь не давала нужного эффекта. В 1877 году была изобретена и получила патент специальная вращающаяся печь для обжига клинкера. В сутки она могла обработать до 30 тонн. Теперь же печи обрабатывают до 3000 тонн сырья. Мельница для дробления клинкера и получения равномерного по размеру частиц порошка была изобретена Дэвидсеном в конце 19 века. К цементу настолько все привыкли, не представляют без него ни одну стройку, что кажется, будто он всегда был таким. На самом деле ему пришлось пройти длинную историю развития и совершенствования, чтобы приобрести исключительную прочность, которой могут похвастаться современный марки этого стройматериала.

Источник

Серая кость цивилизации: кто на самом деле придумал цемент

Современную земную цивилизацию невозможно представить без таких сооружений, как небоскребы, мосты, железные дороги. В основе всех этих сооружений лежит конструкционный материал, появившийся всего лишь полтора столетия назад. в качестве материала для садовых кадок.

Дмитрий Мамонтов
Теги:

Все дороги ведут в Рим

Первые данные об использовании цемента в строительстве относятся примерно ко II веку до н.э. Смесь извести с вулканическим пеплом, пемзой и туфом со склонов Везувия использовалась римлянами в качестве связующего при строительстве каменных сооружений. Римские строители изготавливали и отдельные элементы сооружений из цемента, но его прочность оставляла желать лучшего.

0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Песок, щебень и вода

В 1824 году Джозеф Аспдин разработал современный портландцемент, который в смеси с песком, щебнем и водой уже можно было применять в качестве строительного материала — бетона. Он хорошо выдерживает сжатие, а вот растяжения приводят к его разрушению. А железные балки, наоборот, отлично работают на растяжение и плохо на сжатие. Идея соединить эти достоинства почти одновременно пришла в голову нескольким людям. Жан-Луи Ламбо в начале 1850-х годов построил на юге Франции несколько небольших лодок с использованием бетона, армированного железной сеткой.

Железобетон

Британец Уильям Уилкинсон в 1854 году стал первым, кто использовал армированные железными балками бетонные панели в строительстве двухэтажного дома в Ньюкасле. Примерно в это же время другой строитель, Франсуа Куанье, экспериментировал с железобетоном во Франции — он стал первым, кто связал стальную арматуру перекрытий со стеновыми панелями. Но в массовую практику новый материал ввел человек, не имевший к строительству никакого отношения.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Изобретение армированного железобетона стало одним из важнейших событий в истории строительства.

Джозеф Монье в 1846 году был назначен садовником оранжереи в саду Тюильри возле Лувра. Для пересадки апельсиновых деревьев на зиму в теплицу ему понадобились прочные садовые кадки. Монье сделал несколько таких кадок из бетона (цемента с песком, золой, молотым кирпичом), но они все время трескались. Поэтому он укрепил их стенки с помощью железных стержней.

0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Армированный бетон: прочнее некуда

В то время считали, что железные элементы при перепадах температур быстро разрушат бетон, но за три года ни одна кадка не вышла из строя! После этого Монье перешел на емкости для воды и другие элементы ландшафтного дизайна из нового материала. В 1867 году он продемонстрировал армированный бетон на международной выставке в Париже и получил первый патент на использование материала в искусственных водоемах. За первым патентом последовали другие — на трубы и бассейны (1868), строительные панели (1869), мостовые конструкции (1873), балки и шпалы (1878). В 1875 году под руководством Монье в замке Шазелье был построен небольшой железобетонный мост. А в 1879 году немецкий инженер-строитель Густав Вайс купил права на все патенты Монье и усовершенствовал его конструкцию, сместив арматуру в сторону наибольшей нагрузки на растяжение (Монье не был инженером и не вникал в такие тонкости). Тем самым Густав Вайс сделал последний шаг в сторону современного железобетона, вскоре захватившего строительные площадки всего мира.

4 обсудить
Сергей null 04 Сентября 2021, 11:44

Первые, самые древние храмы из бетона стоят до сих пор, непревзойденные по качеству, купола храмов древнего Рима и Византии, по мере нарастания высоты были все легче и легче, сохраняя прочность, тонкости технологии этого до сих пор секрет. Так что лидеры в производстве цементно- бетонных изделий не англосаксы с французами, а древние римляне, не считая железную арматуру.

Сергей null 04 Сентября 2021, 11:43

Первые, самые древние храмы из бетона стоят до сих пор, непревзойденные по качеству, купола храмов древнего Рима и Византии, по мере нарастания высоты были все легче и легче, сохраняя прочность, тонкости технологии этого до сих пор секрет. Так что лидеры в производстве цементно- бетонных изделий не англосаксы с французами, а древние римляне, не считая железную арматуру.

Источник

Когда появился цемент?

Первые, самые примитивные убежища, очень скоро продемонстрировали свою малую жизнестойкость. Поэтому потребовалось их укреплять и как-то защищать от ветра, дождя и снега.

Ivan Protsiuk, Shutterstock.com

Самым первым вяжущим веществом в строительном деле принято считать глину. Ведь она стала применяться с 5000 тысячелетия до нашей эры во всевозможных постройках! Многие из которых, кстати, дошли до наших дней.

Уже с 4-го тысячелетия до нашей эры в строительстве применяется известь. Сперва — в качестве защитной обмазки. Затем — для создания прочных покрытий, а также основы под художественные росписи в помещениях.

Примерно с 3-го тысячелетия до нашей эры стал применяться гипс для строительных нужд. Его использовали в качестве вяжущего вещества в кладочных растворах, штукатурках, покрытиях, в лепных и отделочных работах. В это же время стала применяться известь, иногда с добавлением золы, в растворах для кладки камня и для связывания мелких камней в искусственные монолиты.

Известно, что в ХII веке до нашей эры финикийцы догадались использовать гидравлическую известь в растворах при возведении культового сооружения на Кипре.

В Х веке до нашей эры те же самые финикийцы пошли дальше и стали применять кирпичную муку (цемянку) как гидравлическую добавку для придания высокой водонепроницаемости покрытиям своих водяных цистерн и древних водопроводов. Кирпичная мука, естественно, в те годы была не такой, что сейчас.

В V веке до нашей эры греки научились использовать карбонатные заполнители в известково-карбонатном растворе. Последний был близок по свойствам к современному бетону. Из такого материала греки соорудили, в частности, площадку алтаря для жертвоприношений в Северном Причерноморье.

Около 13-го года до нашей эры учёный Витрувий составил трактат по архитектуре, в котором предпринял попытку теоретически объяснить процесс обжига извести, её твердения и применения растворов на основе извести.

В 386−405 годах (уже нашей эры) Иероним Стридонский придал слову «цемент» (обозначавшему у римлян необработанный или битый камень) новое значение строительного раствора. Его современник, Аполлинарий Сидоний, под цементом подразумевал ещё и штукатурку.

В V веке отмечено широкое применение гидравлической извести (часто с применением цемянки, гипса, сахаристых веществ) в растворах, использовавшихся в Индии при сооружении дорог и гидротехнических сооружений в джунглях.

В еках состоялось вторичное открытие гипса как хорошего вяжущего вещества. В это время его часто использовали в набивных полах и декоративных покрытиях в Западной Европе.

В Х-ХVI веках задокументировано повсеместное использование гидравлической извести при строительных работах в Германии, Нидерландах, Австрии, Чехии, Словакии, Польши, Румынии. Интересно, что гидравлическая известь на Руси применяется несколько позднее — с ХI века.

В ХII веке состоялось повторное открытие кирпичной муки как замечательной гидроизолирующей добавки.

И лишь в 1300 году слово «цемент» стали употреблять для обозначения раствора и вяжущего вещества. С этого времени оно и обрело свой последний, известный нам смысл. А поиск наилучших технологий для производства цемента и одновременное изучение его свойств продолжалось ещё более пятисот лет — вплоть до середины ХIХ столетия…

Источник