Строительные материалы на основе цемента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цементы

-- Так вообще называются в строительном деле вещества, служащие для скрепления твердых материалов возводимых сооружений в силу химических и физических изменений, происходящих в этих веществах. Различают Ц. воздушные и гидравлические в зависимости от среды, в которой должно происходить их затвердевание; однако в то же время при таком делении подразумевается, что всякий гидравлический цемент может быть употреблен и в воздушной среде. Представителем воздушных Ц. служит обыкновенная известь, а гидравлических -- разнообразные виды "Ц.", в тесном смысле, каковы романский и портландский, гидравлические извести и др. По международной классификации, принятой на съезде 1885 г. в Дрездене, к Ц. собственно отнесены: 1) гидравлические извести, 2) роман-Ц., 3) портланд-Ц., 4) гидравлические добавки (пуццоланы и цемянки), 5) шлаковые (так назыв. пуццолановые) Ц. и 6) смешанные Ц. Древнейший строительный раствор -- известковое тесто, приготовляемое, напр., из 1 ч. извести и 1/2 -- 1/3 частей воды, употребляется в смеси с песком только для воздушных построек, так как водой размывается; твердение этого раствора зависит, главным образом, от поглощения им углекислоты из воздуха и гораздо менее -- от образования кремнекислой извести. Хотя отвердевание раствора извести сопровождается и действительным высыханием, но это последнее не составляет главной сущности процесса; это видно уже из того, что известковое тесто в виде строительного раствора (т. е. с песком) можно высушить на водяной бане досуха и все-таки при этом получится пористая масса, легко растирающаяся в порошок. Две другие реакции, определяющие отвердевание (поглощение СО 2 и образование основной кремнеизвестковой соли), совершаются очень медленно, так как образовавшийся сначала слой углеизвестковой соли предохраняет остальную массу от доступа СО 2. Твердение идет столетиями, что видно из анализов Ц. старых строений; так, через 18 лет после окончания кладки Ц. заключал еще столько свободной извести, что для насыщения ее не хватало 17,3% углекислоты (считая от всего нужного для насыщения количества СО 2); в 50-летнем Ц. недоставало 9,61%, в 100-летнем -- 3,38%, в 300-летнем -- 3,30% [В Берлине, в подвалах одной старой церкви, нашли творило, забытое 300 лет тому назад. Оказалось, по анализу, что в нем еще не вся известь перешла в углекислую.]. Образование кремнекислой извести менее важно, что видно уже из факта достаточной крепости растворов, приготовленных на известковом песке вместо кварцевого. По мере перехода извести едкой в углекислую выделяется вода, что и составляет одну из причин сырости новых зданий. Если вода, на которой затворено тесто, содержит NaCl, то стены не только сыреют (от образования СаСl 2), но и покрываются белым налетом угленатровой соли -- этим объясняется, почему нельзя для затворения извести брать морскую воду. Основное отличие воздушного раствора от гидравлического в процессе твердения то, что первый выделяет воду, а второй поглощает ее. Свежеприготовленная смесь извести с песком быстро размывается водой, но и затвердевшая не выдерживает продолжительного пребывания в воде; но если известь смешать с той разновидностью SiO 2, которая растворима в водном растворе щелочей, то полученная смесь обладает свойством затвердевать под водой; такая смесь представляет, след., уже Ц. гидравлический; можно брать и не чистый кремнезем, а его соединения, лишь бы кремнезем, выделяемый из них кислотами, был не кристаллический, а аморфный. За 3000 лет до нашего времени было известно, что если к извести примешать порошка пуццоланы [ Пуццуол -- селение близ Неаполя, где находили эти вещества.], вещества вулканического происхождения -- то полученная смесь по затворении имеет свойство затвердевать под водой. Тем же свойством обладают трассы (тоже вулканического происхождения), а римляне употребляли даже просто толченый кирпич. Только в 1829 г. проф. Фукс показал, что затвердевание в этих случаях определяется образованием гидрата кремнекислой извести из аморфного кремнезема, явившегося в пуццоланах, трассах и кирпиче вследствие влияния высокой температуры. Трассы и пуццоланы имеют след. состав:

Они характеризуются малым содержанием щелочей, почему и требуют прибавки извести, чтобы образовать те кремнеизвестковые соединения, которые и придают смеси свойство твердеть под водой. Кроме упомянутых вулканических пород, всякое соединение кремнезема, содержащее его в растворимом видоизменении, годно для образования с известью гидравлического цемента, а так как переход SiO 2 из нерастворимого в растворимый вид достигается действием высокой температуры, то, как показал Фукс, всякий кремнеземистый минерал может быть годен для гидравлического цемента, если его подвергнуть обжигу. Такие породы, как граниты, гнейсы, порфиры, полевой шпат, слюда и даже простая глина, не говоря о чистом кремнеземе (горный хрусталь, халцедон), все после обжига затвердевают под водой с известью. Относительно пригодности глин и мергелей как материала, имеющего весьма большое распространение, еще ранее Фукса сделаны были исследования французским инженером Вика, работы которого начались в 1812 г. [Вика еще в 1812 г. показал, что обожженная смесь чистой углекислой извести и глины в известной пропорции по измельчении затвердевает с водой без всяких прибавок.], а в 1818 г. он высказал мнение и доказал опытом, что всякий известковистый минерал, содержащий глину в известном количестве, способен дать так назыв. гидравлическую (т. е. твердеющую под водой) известь после надлежащего прокаливания. С 1837 по 1841 гг. Вика показал, что большая часть глин владеет свойством превращаться в пуццоланы вследствие обжига, т. е. затвердевать с известью под водой, почему продукт обжига глин и назвали искусственной пуццоланой (цемянка). Вика предпринял затем исследование разных французских глин, мергелей, известняков, благодаря которому во Франции быстро стало развиваться производство гидравлических известей и Ц., получаемых прокаливанием естественных глинистых известняков [Незадолго до Вика (1796) Джемс Паркер открыл, что глинистые почвы устьев Темзы с 30--35% глины после обжигания и измельчения дают Ц., на производство которого он и взял патент, назвав свой Ц. романским. Несколько лет спустя такое же открытие было сделано французами в Булони.]. Такие Ц. во Франции получили название Ц. романских, или быстротвердеющих (быстросхватывающих), но впоследствии из естественных глинистых известняков стали делать и медленно схватывающие Ц., почему за всеми Ц. этого рода оставлено только название "романских", без других характеристик. Большие неудобства, зависящие от неоднородности глинистых известняков, повели к дальнейшим весьма важным открытиям в приготовлении Ц. Действительно, известняки с малым содержанием глины дают гидравлическую известь, с большим содержанием -- гидравлические Ц. разных качеств, а естественные толщи мергелей даже незначительной мощности обыкновенно очень неоднородны по составу. Исключения вроде тейльских известняков во Франции в 50 м толщины с колебаниями только от 16 до 18% глины или новороссийских -- в 1? арш. с 22--24% глины, такие исключения редки. Ввиду этого понятно стремление приготовить гидравлический Ц. из смеси глины и извести. Вика показал (опытом), что это возможно, но практическое осуществление эта мысль получила в Англии. Каменщик Аспдин в Лидсе, прокалив (1500° -- 1700°) шоссейную пыль (углекислая известь) с 25% глины в виде хорошо приготовленной тесной смеси, получил новый Ц., который и назвал портландским по сходству его цвета с портландским песчаником (патент 1824 г.). Однако только 30 лет спустя после этого открытия английские портланд-Ц. получили распространение, а затем и преобладание. Толчок дала Лондонская всемирная выставка 1851 г., после которой на континенте весь портланд-Ц. был английский до 1 8 78--80 г., когда наконец производство его стало развиваться в Германии. В России с 1857 до 80-х гг. производство это развивалось медленно; в настоящее же время Россия -- третья страна по количеству производимых Ц., между которыми портландские преобладают. Ежегодное производство разных государств Европы выражается такими цифрами (в бочках около 10 пд. по весу netto; за 1900 г.):

Германия; 30 млн. бочек.

строительство цемент раствор известь

Всего до 50 миллионов бочек на сумму 150 миллионов рублей [Шуляченко, "Состояние цементной промышленности на Западе и у нас".]. На последнем (7-м) съезде русских цементных заводчиков и техников в 1901 г. предполагалось выработать 6,8 млн. бочек, т. е. до 70 млн. пудов; роман-Ц. ожидается около 7 млн. пудов, откуда видна степень преобладания Ц. 1-го рода. Те же отношения получатся, если взять цифры, уже осуществленные; так, в 1899 г. выработано портланд-Ц. 30 млн. пудов, а роман-Ц. -- 6 млн.

Из способа приготовления Ц. уже ясно, какую важную роль играют количественные отношения между известью и глиной, т. е. между СаО, с одной стороны, и SiO 2 и Аl 2 О 3 -- с другой. Практика указала, что степень гидравличности Ц. зависит, главным образом, от этого отношения, которое поэтому всегда и приводится как характеристика Ц., под названием его гидромодуля; иногда берут обратное отношение, т. е. отношение суммы кремнезема и окиси алюминия к извести, носящее название показателя гидравличности (indice d'hydraulicite). Так как глины содержат железо, а известь -- калийные и натровые соединения, и так как те и другие имеют свое значение для качеств Ц., то обыкновенно они тоже вводятся в расчет гидромодуля и показателя гидравличности; таким образом гидромодуль будет равен отношению количеств (CaO,K 2O,Na2 O)/(SiО 2,Al2O3,Fe2O3) = гидромодуль.

Обратное этому отношение будет показатель гидравличности. Вика основал свою классификацию гидравлических Ц. на величине показателя гидравличности, который, в свою очередь, показывал количество глины, содержащейся в данном продукте. Так, по этой классификации различались извести слабогидравлические = 0,1--0,15, среднегидравлические = 0,16--0,31, гидравлические = 0,31--0,42, сильно (eminement) гидравлические = 0,42--0,5, предельные, или медленно твердеющие Ц. = 0,5--0,65 и, наконец, быстротвердеющие Ц. = 0,65--1,2. Таким показателям, по Вика, отвечает соответственно содержание глины от 5,3% до 40% и время затвердевания (схватывания) от 30 до 2-х дней. Не вдаваясь в теоретические соображения о причинах схватывания Ц., заметим, что, по всей вероятности, преобладающую роль в этом процессе играет образование соединения SiO 2(CaO)3, которого показатель = 0,35, откуда по сравнению с составом Ц. видно, насколько качество Ц. зависит от содержания в нем (до известного предела) соединений SiО 2, вводимых в форме глин и мергелей. В настоящее время классификация Вика не употребляется, но качество Ц., согласно официальным инструкциям, определяется все-таки пределами показателя гидравличности. Так, во Франции для морских работ минимум показателя назначен 0,44 (хотя 0,42 и 0,43 относятся к вполне удовлетворительным Ц.), а у нас для портланд-Ц., по техническим условиям приемки (утвержденным министром путей сообщения), гидромодуль должен быть 1,7--2,2, т. е. показатель = 0,6--0,45. Тем не менее, показатель не дает полной характеристики Ц., так как свойства последнего так сильно зависят от многочисленных иных факторов, что без знания состава Ц., по одному только показателю его, нельзя предсказать, годен или нет взятый Ц. в данных обстоятельствах. Необходимо поэтому изучение состава разных Ц. и влияния составных частей на основные свойства Ц., каковы способность более или менее быстрого затвердевания, неизменяемость объема цемента в данной среде, химическая неизменяемость его средой и др.

Гидравлические извести. Химический состав гидравлических известей очень разнообразен и этим отличается от цементов, у которых пределы состава очень сближены. Под именем гидравлической извести подразумевают такой продукт обжига мергелей, доломитов и др., который содержит достаточно свободной извести и магнезии, чтобы при "гашении" его водой рассыпаться в порошок. Этим гидравлическая известь отличается от роман-Ц., который сам не распадается в порошок и потому должен быть измельчен. Гидравлическая известь, так полученная, называется естественной в отличие от искусственной, получаемой из глины и мела (изготовляющих ее заводов теперь очень мало). Одна из лучших гидравлических известей -- тейльская (Ard e che, Франция) -- имеет состав:

*) Веществ неанализированных -- 0,1.

Показатель гидравличности колеблется для известей в очень широких пределах; так, пределы от 0,2 до 0,5 и даже 0,6 довольно обычны. Обжиг гидравлических известняков ведется в шахтных печах весьма разнообразных типов, из которых укажем печь Шофера и другую -- Дитча. Печь Шофера (фиг. 1 табл.) относится к так наз. печам с коротким пламенем, в которых топливо и известь чередуются слоями в отличие от печей с длинным пламенем, где горючее сжигается в отдельно помещенных топках.

ЦЕМЕНТЫ. Фиг. 1. Печь Шофера для обжига гидравлических известняков.

В печи два отделения, вернее, две печи одна над другой: в верхней -- Е куски известняка подсушиваются газами, идущими снизу, а в нижней -- С идет обжиг, причем топливо забрасывается через каналы f; В -- отверстие для загрузки, А -- для выгрузки. Такая печь дает 15--20 тонн в 24 часа при расходе каменного угля 100--120 кг на тонну, след., около 10--12% от обожженной извести. За обжигом следует гашение -- самая важная операция в приготовлении гидравлической извести, что не всегда сознается производителями этого продукта. Известь из печи отвозится в вагонетках в особые камеры, где ее раскладывают на подвижных платформах слоем в 15--20 см и обрызгивают водой; воды надо 15--20%, но известь удерживает только 7--8%, а остальное испаряется; известь отвозится и сваливается в особых рвах, где она медленно остывает, что весьма важно при гашении. Гашение в зависимости от степени гидравличности извести длится до 20 дней, но слабогидравлическая гасится быстро. Известь, плохо погашенная, может по употреблении в дело совершенно разрушить кладку, так как при затвердевании объем ее увеличивается. За гашением следует просеивание -- сначала через решетку из железных полос, на которых удерживаются крупные недожженные и пережженные куски, а затем через сито в виде барабана, вращающегося со скоростью 60--80 обор. в мин, обтянутого сеткой (металлической) в 220 до 324 отверстий в 1 кв. см. В торговле отличают легкую и тяжелую гидравлическую известь; последняя представляет уже переход к естественным Ц., владея большим показателем гидравличности. Схватывание извести под водой служит хорошим средством определения качества извести: известь плоха, если схватывание наступает очень быстро и сопровождается разогреванием (есть непогашенные части) или если оно медленнее, чем свойственно ее показателю гидравличности (выветрившаяся или песчанистая известь). Плотность гидравлической извести в зависимости от показателя меняется от 2,5 до 2,8, а плотность гравиметрическая, т. е. вес литра извести, насыпанной без надавливания, заключается в пределах 530--600 гр. для легкой и 700--800 гр. для тяжелой извести. Погашенная известь представляет очень тонкий порошок, оставляющий на сите в 4900 отверстий (считается всегда на 1 кв. см) не более 20--25% остатка, а на сите в 900 отверстий -- 3--6%; при извести, плохо погашенной, остатки на ситах доходят до 40% в первом случае и до 20% во втором. Сравнение разных гидравлических известей по сопротивлению, которое они способны оказать после затвердевания механическим усилиям, преимущественно разрыву и раздроблению, крайне трудно и часто мало связано с показателем их гидравличности; обыкновенно такой пробе подвергают чистую известь и смесь ее с песком в отношении 1: 3 (строительный раствор). Сопротивление зависит от рода извести (легкая или тяжелая), способа приготовления, качеств воды, употребляемой для гашения (пресная или морская), причем не всегда лучшая по тщательности изготовления известь дает и лучшие результаты по сопротивлению. Нормальные испытания будут описаны подробно ниже, а теперь приведем цифровые примеры. Одна из хороших, легких гидравлических известей -- маранская -- дает сопротивление разрыву на 1 кв. см: 3 кг через месяц по затворении, 10 кг через 6 месяцев и 13 кг через год. То же сопротивление (почти) оказывает и ее строительный раствор 1: 3. Вес литра этой извести = 450 гр. Вообще легкие извести показывают заметное сопротивление не ранее месяца по затворении; оно быстро возрастает до 6 месяцев и затем медленно увеличивается до 2 лет. С этого срока сопротивление, по-видимому, остается постоянным. Тяжелые гидравлические извести при том же прогрессивном ходе сопротивления дают большие цифры:

Сопротивление строительных растворов гидравлических известей на сжатие обыкновенно в 5--6 раз более, чем на растяжение. Так как свойства гидравлической извести не всегда можно предвидеть из химического состава ее, то необходимо производить всякий раз пробы, требующие, как видно из вышеприведенных таблиц, продолжительного времени (не менее 4 недель); кроме того, строительные растворы ее очень пористы и потому легко разрушаются текучей водой или волнами; мороз действует тоже очень разрушительно, особенно на строительные растворы легких известей. Гидравлическая известь, помимо всех этих обстоятельств, должна быть тщательно выбрана в зависимости от окружающих условий; так, напр., известь, годная для подводных сооружений Средиземного моря, редко оказывается удовлетворительной в водах океана (Candlot).

Пуццоланы, трассы и т. п. К числу древнейших строительных материалов принадлежат некоторые вещества вулканического происхождения, которые по смешении их с известью проявляют свойство затвердевать не только на воздухе, но и в воде. К числу таких веществ относятся вулканические породы окрестностей Везувия и Рима, известные под именем пуццолан, а также трассы (около Дюнкирхена и Кале), санторинская земля и проч. Все главнейшие постройки римлян были возведены при посредстве этих веществ. Изучением их занимался Вика с целью найти способ делать искусственную пуццолану; но прогресс в производстве Ц. указал другой, более удобный путь решения того же вопроса.

Вот состав некоторых пуццолан:

Для образования хорошо твердеющего Ц. в составе их недостаточно щелочей, что и пополняется прибавлением извести. Так, древнеримские работы были сделаны на Ц., составленном из 2 ч. пуццоланы и 1 ч. извести. В настоящее время берут или равные объемы пуццоланы и извести в порошке, или по весу 2 ч. пуццоланы на 1 ч. извести. Для строительного раствора остается прибавить нужное количество песку (глядя по условиям, напр., равные по объему части пуццоланы, извести и песку). В Дюнкирхене и Кале употребляют смесь трасса с гидравлической известью, в Бельгии -- тоже; напр. в некоторых морских сооружениях было взято (Бельгия): трасса 2, гидр. извести 6, песку 4 ч.

Роман-цемент. В хронологическом порядке за пуццоланами следуют естественные Ц., между которыми следует отметить роман-Ц., имеющие и в настоящее время крупное промышленное значение. Под именем роман-Ц. подразумеваются такие продукты обжига мергелей и доломитов, которые по измельчении способны затвердевать с водой; такие продукты не гасятся водой, если взяты в кусках и не рассыпаются в порошок. Роман-Ц. открыт Джемсом Паркером в 1796 г. обжиганием известняков из окрестностей Лондона при сравнительно невысокой температуре. Эти известняки с содержанием 30--35% глины дали быстро твердеющий Ц., почему сначала все романские Ц. носили название быстро схватывающих и твердеющих. Фабрикация этих Ц. в настоящее время не представляет каких-либо существенных особенностей. Обжиг ведется в печах вроде тех, какие употребляют для извести (непрерывно действующие). Обожженный продукт выдерживают на воздухе (поглощает влагу), затем он измельчается мельницами, выдерживается некоторое время в силосах и, наконец, упаковывается в мешки.

Свойства роман-Ц. На основании "Временных правил приемки и испытания роман-Ц.", принятых и одобренных министром путей сообщения, они должны удовлетворять след. условиям: содержание SO 3 не должно превышать 2,6%; для производства пробы Ц. должен быть затворен на пресной воде при 15° -- 18° Ц., причем перемешивание раствора с песком должно длиться 5 мин., считая с момента заливки водой; приготовленные для проб лепешки должны храниться во влажном месте. Уд. вес Ц. (по объемомеру Шумана со скипидаром или Ле-Шателье-Кандло -- с бензином), просушенного при 120°, должен быть 2,6--3,0. Количество воды должно быть взято такое, чтобы образовалось так называемое нормальное тесто. Оно определяется следующим довольно сложным практическим приемом: 300 гр. Ц. замешивается в течение 5 мин в тесто (обыкновенно с 40--55% воды), причем количество воды стараются подогнать так, чтобы это тесто удовлетворяло нижеизложенным условиям. Оно накладывается в кольцевую (бездонную) коробку, помещаемую на невсасывающей подкладке; высота коробки 4 см, диаметр 8 см. В тесто должен погружаться стержень диаметром в 1 см, несущий тарелку весом в 330 гр.; погружение его измеряется по шкале, разделенной на миллиметры (по указателю). В начале опыта указатель устанавливается на делении 40; пока Ц. затвердевает, стержень должен дойти до цифры 6 (допускается 5 ? -- 6 ?); т акое тесто будет считаться нормальным. Время схватывания не должно быть менее 15 мин, считая с момента прибавления воды. Для определения его тесто (нормальное) подставляют под иглу Вика (см. ниже), которой дают свободно погружаться в течение 1 мин, затем подводится новое место и т. д., пока игла углубится не более, чем на ? мм -- этот момент и считается концом схватывания. Испытание постоянства объема. Хороший Ц. не должен изменять своего объема; это изменение узнается по трещинам у краев лепешки при испытании, сделанном при след. условиях. Лепешка весом 50 гр. при диам. в 7 см помещается на стекле, покрытом листами влажной пропускной бумаги, и оставляется в таком виде на 2 суток на воздухе; затем она помещается в воздушную баню при темп. 120° не менее как на 2 часа; оставляется 2 суток на воздухе и наконец кладется на 28 суток в воду. Трещины, образовавшиеся в центре лепешки, в расчет не принимаются. Крупность помола: при 900 отверстиях на 1 кв. см и толщине проволоки 0,1 мм остатка не должно быть более 15% от просеянного количества. Сопротивление разрыву. Образец для этой пробы должен иметь сечение в 5 кв. см; он приготовляется из 1 ч. Ц. и 5 ч. нормального песка (см. ниже); количество воды берется такое, чтобы получить тесто нормальной густоты. Это последнее получается, когда работа, потраченная при вколачивании его в кольцевую форму (до определенной плотности, т. е. веса единицы объема) достигает 0,1 килограммометра на грамм сухой смеси. Вколачивание ведется нормальным копровым аппаратом Клебе. При отсутствии последнего количество воды берется по заявлению завода, представившего Ц., и, наконец, при отсутствии и этого данного воды берется 10--13% от веса сухой смеси. Когда раствор вколачивается вручную -- лопаткой или деревянным молотком, то вес их должен быть 250 гр. и вколачивание ведут, пока на поверхности теста не появится вода. Нормальный песок для этой пробы изготовляется при помощи 3 сит: в 64, 144 и 225 [Соответственная толщина проволоки этих сит: 0,4, 0,3 и 0,2 мм] отверстий на 1 кв. см, причем берутся только остатки на ситах втором и третьем; они смешиваются в равных по весу количествах, и такая смесь составляет нормальный песок. Приготовленные образцы остаются под колпаком до 3 дней, а затем погружаются в воду, откуда вынимаются в разные сроки и испытываются на рычажном приборе Михаэлиса, сразу в количестве 6 образцов, при чем берется за цифру сопротивления средняя из 4 наибольших (две наименьшие отбрасываются). Испытание длится до срока в два месяца. Через 28 дней Ц., остающейся на воздухе, должен иметь сопротивление разрыву в 5 кг на 1 кв. см, а в воде -- 3 кг на 1 кв. см. Испытания чистого Ц. (без примеси песка) после 28-дневного срока (по затворении) на приемку не влияют и производятся только для сведения потребителя. Вода при приемке меняется не менее одного раза в неделю.

Химический состав. Романские Ц., будучи весьма разнообразны по составу, имеют и некоторые общие почти всем им черты: обыкновенно в их составе наблюдается повышенный процент окиси алюминия, железа и магния, а также серной кислоты; сравнительно с медленно твердеющими Ц. показатель гидравличности изменяется от 0,55 до 0,8 и редко бывает выше. Приводим несколько примеров их состава:

(1) В этой цифре 0,06 веществ, не анализированных.

(2) В этом числе 0,35 веществ, не анализированных.

(3) По Кандло, отношение суммы количеств кремнезема и глинозема к извести.

(4) По Кандло, отношение суммы количеств кремнезема и глинозема к извести.

(5) По Кандло, отношение суммы количеств кремнезема и глинозема к извести.

(6) Отношение суммы окисей Si, Al, Fe к извести и магнезии.

(7) Отношение суммы окисей Si, Al, Fe к извести и магнезии.

Портландцемент. Определение портландцемента, выработанное международными съездами заводчиков и техников, положено в основу правил, изданных министерством путей сообщения под названием "Технических условий приемки портландцемента". Согласно этим правилам (§ 1), "портландцемент есть продукт, получаемый из природных мергелей или из искусственных смесей материалов, содержащих глину и углекислую известь, посредством обжига таковых до спекания и через последующее измельчение в тонкий порошок. Гидравлический модуль портландцемента [Гидравлический модуль, согласно "Техн. условиям", есть отношение весового количества извести и щелочей (Na 2 O, К 2 О) к сумме весовых количеств SiO 2, ? l2 ? 3, Fe2 О 3).] не должен быть менее 1,7 и не более 2,2. Количество SO 3 и MgO в готовом Ц. (т. е. после прибавления к обожженному уже продукту посторонних примесей) должно быть 1?% и во всяком случае не более 3%, посторонних же примесей не более 2%. При испытании Ц. все растворы их (§ 2) можно приготовлять на пресной, морской или дистиллированной воде. Температура должна быть 15--18° Ц. (при затворении теста), число образцов не менее 6, перемешивание 5' (минут). Образцы должны храниться во влажном пространстве на невсасывающей подкладке (мрамор, стекло, металл). Уд. вес должен быть (§ 3) не менее 3,05 (по высушивании при 100°) [Уд. вес определяется прибором Ле-Шателье или Шумана.]; схватывание должно начинаться (§ 4) не ранее ? часа и оканчиваться не ранее часа и не позже 12 часов [Остальные правила "Техн. условий" будут приведены ниже, в соответственных местах.].

Фабрикация. Портланд-Ц. готовится или из таких мергелей, которые требуют только небольшой прибавки глины, или из смеси известняков с глиной (или с очень глинистым мергелем). Материалы эти могут перемешиваться сухим или мокрым путем; в первом случае они должны быть более чисты, чем во втором, когда отмучивание позволяет очистить и сортировать этот материал. Теоретически тесто, идущее в обжиг, должно состоять из 80--81% углекислой извести и 19--20% глины, но практически пределы расширяются: берут 76--80% и 20--24% этих материалов. При мокром способе материалы разбалтываются, перемешиваются и отмучиваются в круглых бассейнах с вращающимися мешалками, снабженными стальными зубьями. Получаемая масса с 50--60% воды сливается через сетки (324 отверстия на 1 кв. см), задерживающие песок и др. посторонние тела. Обыкновенно, когда употребляют мел и глину, достаточно постоянные по составу, состав массы определяется по количеству частей, взятому для перемешивания; в других случаях для соблюдения необходимого постоянства состава массу пропускают через особые круглые бассейны с мешалками, где определяют глину и известь и исправляют массу прибавлением той или другой части ее до нормального состава. Иногда употребляют менее воды, но тогда тесто (с 40--45% воды) пропускают через аппараты, растирающие или измельчающие массу, так как отмучивание и процеживание ее не были достаточны; способ этот употребляется только в случаях, когда масса без отстаивания идет в сушила. Необходимость иметь большие бассейны для отстаивания при обычных методах изготовления массы повели к попыткам обойтись без них и готовить массу без отмучивания. Таков датский способ Бергрене'а, практикуемый на заводе Цимбрия; при нем обычный процесс смешивания, требующий очень много времени (для декантации воды), значительно сокращается. Тот же способ, видоизмененный Шемшлицевым и Емельяновым (Брянский завод портланд-Ц.), сводит время перемешивания к 2--3 неделям вместо 3--6 месяцев, необходимых при отмучивании и отстаивании. Мел и глина в естественном виде, т. е. с 25--30% влаги, растираются и перемешиваются системой вальцов и мешалок настолько совершенно, что получается очень однородный клинкер. Наконец, сухой способ, употребляемый при очень твердых материалах, которые нельзя разболтать в воде, требует предварительного измельчения их в тонкий порошок. Только что добытые материалы содержат значительное количество влаги, ввиду чего прежде всего подвергаются сушке. Печи, при этом употребляемые, очень разнообразны: в роде обычных известеобжигательных, или в виде каналов, по которым непрерывно в вагонетках движутся материалы, а в обратную сторону -- накаленные газы из генераторов (печь Фельнера и Циглера, фиг. 2), или, наконец, печи эти делают в виде вращающегося цилиндра, причем сушка производится горячим воздухом, вдуваемым вентилятором (печь Моллера и Пфейфера, фиг. 3).

После сушки следует измельчение в тонкий порошок, для чего сначала материал дробится предварительно в дробилках (напр. Блэка), а затем размалывается мельницами (напр. Гриффина). Измельченные (каждый в отдельности) материалы направляются в силосы, а оттуда в смешивающие аппараты, где приток порошков регулируется должным образом и смесь получается требуемого состава. Смесь смачивается для получения теста с 25--30% воды, и из нее машинами формуются кирпичи; машины эти различны в зависимости от количества прибавленной воды; обыкновенно (при 20--30% воды) они состоят из смешивающего цилиндра с лопатками или винтовым перемешивателем, откуда тесто идет через насадку, придающую ему форму параллелепипедальной ленты, идет на режущий аппарат. Когда прибавляют не более 8--10% воды, то приходится употреблять более сильные приборы для сдавливания в кирпичи, вроде, напр., пресса Дорстена (действующего ударами). При мокром способе тесто из бассейнов идет в отстаивательные резервуары в 1000--1500 куб. м, где остается 2--3 месяца, отчасти декантируясь, отчасти высыхая: отсюда с 25--35% воды оно идет в сушку. Эта очень дорогая операция производится в печах, из которых приведем вышеупомянутую печь Фельнера и Циглера, а также видоизменение ее Моллера и Пфейфера. Первая печь (ф. 2) состоит из ряда каналов с движущимися вагонетками с кирпичами. Горячие газы (коксовых печей), идущие в противоположном направлении, уносят водяные пары. От времени до времени вся цепь вагонов передвигается на один вагон, вводя с одного конца новый материал и выталкивая с другого уже высушенные кирпичи. У Моллера и Пфейфера (фиг. 4) боковой вентилятор всасывает из камеры пары воды и гонит их в аппарат -- род калорифера, где они нагревают воздух, идущий затем в сушильные каналы.

Это приспособление противодействует оседанию воды из паров на материалах, подвергающихся сушке. Наконец, часто сушка производится в тех же печах, где идет и обжиг. Обжиг следует после сушки и производится в печах, которые могут быть отнесены к четырем типам: 1) обыкновенные -- шахтные, 2) печи с сушилками, или Джонсона, 3) непрерывные -- Гофмана и 4) печи Дитча (Dietzsch). К первой категории относятся печи, весьма похожие на известеобжигательные (ср. Известь); высота их 8--10--15 м, диаметр (немецких) 3--4--7 м; имеется труба в виде надставки над самой печью в 12--25 м высотой. Топливо и Ц. загружаются слоями. Печь действует периодически и за каждый раз дает до 400 тонн Ц. Температура обжига -- до начала остеклования -- 1600° по пирометру Ле-Шателье. Куски спекаются, все содержимое оседает, печь дополняют, пока можно, тоже слоями, затем, по окончании обжига, охлаждают и разгружают снизу. Каждая загрузка печи требует 8--12 дней до конца операции и новой загрузки. На тонну Ц. надо до 300 кг топлива. Ко второй категории относятся печи, где продукты горения ранее ухода в трубу циркулируют по горизонтальным каналам (туннелям), служащим для предварительного подогревания и сушки цементного теста (из бассейнов). Так как тесто содержит до 60% воды, то печи требуют много топлива. Печи Гофмана -- те же, что и в кирпичном производстве (см.). Печи Дитча весьма распространены. Это шахтные, эллиптического сечения печи (фиг. 5) высотой 25--20 м и состоят из 3 частей: подогревателя А, собственно печи В и охладительной камеры С.

Отверстия F и Е позволяют наблюдать за ходом печи и направлять его, вводя необходимые инструменты. Шахта А заполняется тестом, которое тут подсушивается и по мере разгрузки печи снизу опускается к В. Здесь через каждые ? часа часть теста лопатой переводится в самую печь В и тут же прибавляется необходимое топливо; при дальнейшем опускании продукт охлаждается идущим снизу воздухом. Потеря тепла тут еще менее, чем в печи Гофмана. Тесто остается в подогревателе (подсушивателе) 12--24 часа; обжиг в печи В длится 1--2 часа и охлаждение 12--15 часов. Печь дает 6--10 тонн в сутки Ц. и до 15, если воздух вдувать в печь вентилятором. Кроме описанных, есть еще система американских вращающихся печей -- весьма замечательная по производительности и быстроте, с какой она может быть пущена в ход ["Цемент", № 12, 1901 г.]. Она делается в виде цилиндра диам. в 5--6' и длиной в 50--60' из котельного железа, выложенного внутри огнеупорным кирпичом. Цилиндр наклонен под углом в 10° к горизонту и может вращаться на роликах со скоростью 80 обор. в час; это движение поглощает работу 5--6 пар. лош. Верхний конец цилиндра открывается в кирпичную камеру, куда непрерывно (шнеком) подается тесто и откуда трубой отводятся топочные газы. Нижний конец печи входит в другую камеру -- железную, выложенную огнеупорным кирпичом, назначенную для отопления. Камера эта может быть отодвинута по рельсам. Отопление производится жидким топливом или угольной пылью. Для последнего уголь измельчается так, чтобы на сите в 9 0 0 отверстий (на 1 кв. см) оставалось не более 5%. Через измерительный аппарат такая пыль поступает в воздуходувную трубу от вентилятора и по ней уносится в печь. При пуске в ход печь требует 1 час на разогревание, и через 5 часов получаются уже первые порции клинкера. Сырой материал подается в виде жидкого мучного раствора (теста) с 50--60% воды, что производится насосом. Сама топка состоит из 2 клапанов (вентилей): один от сжатого воздуха, а другой от нефти или угольной пыли. Выход 140--160 бочек (по 10 пд.) клинкера, причем топлива расходуется 3 ? пуда на бочку. После обжига следует операция измельчения и размола клинкера. Измельчение производится дробилками. В дробилках Блека можно получить 5000 кг кусков (40--50 мм) в час. Для размола Ц. служат мельницы с жерновами, подобными употребляемым для хлеба, или такие, где размол (истирание) производится при посредстве тяжелых шаров (Мореля), или, наконец, как в Соединенных Штатах -- мельница Гриффина. Существенная часть последней есть жернов, укрепленный на наклонной (почти вертикальной) оси, катящейся по внутренней поверхности кольцеобразного бака (фиг. 6).

Материал в виде зерен (в несколько миллиметров в поперечнике) вводится в воронку (50), откуда винтом (49) подается в аппарат, где диск (31) (жернов) раздробляет их давлением при катании по стенкам кольца (70). Части, падающие вниз, вновь взбиваются крыльями (5) до тех пор, пока, размолотые в пыль, не уносятся током воздуха, производимым крыльями (7), в конус (25--44) и на металлическую ткань (38). Просеянное падает по каналам вниз и отводится винтом. Вращение жернова (31), укрепленного на оси (1), производится от шкива (17). Пружина (14) удерживает ось в месте подвеса (9), прижимая ее к гнезду. Производительность прибора равна 1500 кг в час при помоле с 25% остатка на сите в 4900 отверстий (на 1 кв. см); работа поглощается в количестве 25 пар. лош. Размолотый Ц. просеивается через металлические сита и поступает в магазины (камеры) на 200--600 куб. м. Нет необходимости пропускать его через силосы, как натуральные Ц., ввиду правильности его состава.

Химический состав. Необходимые составные части портландского Ц. -- кремнезем, глинозем и известь; окись железа, магнезия, серная кислота также входят в состав большинства Ц.; наконец, щелочи, марганец и др. представляют уже случайные примеси. Кроме этого, в сырых материалах есть еще СО 2, удаляемая обжигом. Вообще показатель гидравличности теста всегда менее показателя Ц., из него получаемого; кроме того, зола топлива усиливает пропорцию кремнезема и глинозема в Ц. Портландские Ц. весьма различного происхождения находятся по составу в нижеследующих довольно тесных пределах [Ц. французские , английские , немецкие и бельгийские].

Эти сравнительно незначительные колебания в составе определяются свойствами продукта. Так, лишние ?% свободной извести делают Ц. опасным для употребления. Избыток глины менее вреден, но все-таки может повести к тому, что после обжига Ц. обращается в порошок и по качествам много ниже нормального. Приводим состав некоторых иностранных и русских Ц .:

(1) Песка 0,35.

(2) Песка 0,1.

(3) Песка и не дозированных частей 1,38.

Русские Ц.:

(4) Без летучих веществ.

Гидромодули этих 4-х русских Ц. будут соответственно:

Считая нормальными показатели в пределах 0,42--0,48, уклонения нужно отнести на счет золы топлива, а встречающиеся в продаже Ц. с показателем до 0,6 указывают на неправильность состава цементного теста.

Теория схватывания и твердения Ц. Из многочисленных теорий, предложенных для объяснения процесса отвердевания, приведем теорию Ле-Шателье, как лучше других объясняющую разнообразные реакции, происходящие в Ц. По этой теории, схватывание и твердение суть явления, зависящие от химических процессов; то и другое сопровождается кристаллизацией, зависящей от образования пересыщенных растворов. Между соединениями, образующимися при прокаливании сырых материалов Ц., Ле-Шателье отмечает силикат извести SiO 2• 3CaO, который, по его теории, и играет главную роль при твердении, разлагаясь водой по уравн.:

SiO 2•3CaO + Aq = SiO2•3CaO•21/2H2 O + 2Са(НО) 2.

Кристаллы этого силиката образуются в среде другого, который и служит как бы маточным раствором первому, находясь в состоянии плавления. Кроме этого силиката, Ле-Шателье отводит еще большую роль алюминату извести Al 2O3• 3CaO, гидратация которого имеет значение для большей или меньшей быстроты схватывания, при чем предполагалась реакция:

Al2O3• 3CaO + Са(НО) 2 + Аq = Al 2O3•4CaO• 12Н 2 О,

но затем он остановился на простой гидратации, отбросив предположение о существовании алюмината с 4СаО:

Al2O3• 3CaO + Аq = Al 2O3•3CaO• 12Н 2 О.

Микроскопическое изучение Ц. (безводного) показало, что среди различных форм, наблюдаемых под микроскопом, выделяются две: одна -- в виде кристаллов, другая -- без явной кристаллизации, но имеющая двойное лучепреломление, как и первая, и притом в более сильной степени. Кристаллы бесцветны, квадратного или шестиугольного сечения; они преобладают в общей массе Ц. Заполняющее их промежутки неясно-кристаллическое вещество желто-красного до зеленовато-бурого цвета и есть та среда, в которой выделились кристаллы. Кристаллы, по Ле-Шателье, составляют основной элемент Ц. -- силикат извести, а зеленовато-бурое и желто-красное вещество -- среда, маточный раствор этих кристаллов; он тоже силикат, но двойной: алюминия и железа с известью. Относя схватывание цемента к кристаллизации (под большими давлениями) из пересыщенных растворов силиката и алюмината извести и замечая, что алюминат растворяется быстро, а силикат -- медленно, можно этим до некоторой степени объяснить себе, почему одни Ц. твердеют быстро, а другие -- медленно. Тем не менее, принимая во внимание различные аномалии при твердении Ц., спорный вопрос о действии морской воды и др., нельзя остановиться ни на одной теории твердения Ц., как на бесспорной.

Испытание портланд-Ц. Начало и конец схватывания определяются иглой Вика (фиг. 7).

Этот прибор представляет цилиндр, оканчивающийся иглой с сечением в 1 кв. мм (диам. = 1,13 мм); цилиндр свободно скользит под влиянием своего веса в обоймице, и движение это отмечается указателем на шкале. Общий вес скользящей части (с диском, которым цилиндр оканчивается вверху) = 300 гр. Под иглу подставляется цементное тесто (из 40 0 гр. Ц., затворенного в нормальное тесто) и подводится под острие иглы разными местами поверхности, каждый раз на 5 минут. Называют началом схватывания момент, когда игла, пронизав тесто под действием своей тяжести, не дойдет только на ? мм до стеклянной пластины, на которой установлен цилиндр с тестом; при этом показатель стоит между 0 и 1. Конец схватывания -- когда игла успеет углубиться в тесто менее, чем на ? мм. Предварительное испытание можно произвести и просто над лепешкой, приготовленной на стекле толщиной в 1 см и диаметром 8--10 см; конец схватывания определяется как момент, когда ноготь не оставляет следа, а легкое трение поверхности не вызывает на ней влаги. Постоянство объема. Согласно § 5 технических условий приемки, лепешка, приготовленная, как указано выше, не должна по высыхании давать трещин и искривлений; помещенная (по окончании схватывания) в воздушную баню при 120°, она должна выполнить то же условие, причем трещины в виде концентрических кругов в расчет не берутся. Проба на пребывание в воде. Лепешка помещается на 27 дней в воду и наблюдается, не произойдет ли в этих условиях изменения объема. § 6 правил определяет помол Ц.: из 100 гр. через сито в 4900 отверстий на 1 кв. см должно проходить не менее 50%; должно оставаться на сите в 900 отверстий не более 15%, причем толщина проволоки при 900 отверстиях должна быть 0,1 мм, а при 4900 отверстиях она = 0,05 мм. Сопротивление разрыву (§ 7). Образцы чистого Ц. (не растворов его) испытывают на разрыв, приготовляя нормальное тесто и давая образцам сечение в 5 кв. см. Образцы испытывают прибором (Михаэлиса), в котором нагрузка на разрывающие рычаги увеличивается постепенно (употребляя дробь), наблюдая, чтобы увеличение груза шло со скоростью 150 гр. в 1". При этих условиях образцы должны выдерживать 20 кг разрывающего усилия (на 1 кв. см) через 7 дней по затворении Ц. и 25 кг -- через 28 дней, причем если через 7 дней сопротивление будет 23 кг, то второе испытание (через 28 дней) не обязательно, но для контроля испытание через 28 дней все же производится, и если оно даст цифру менее 25 кг, то вся приемка от завода производится не иначе как по пробе через 28 дней. При приемке полагается: вес бочки 10 ? пуд. нетто и 11 брутто; в мешках -- по соглашению; раструска не более 1%.

Употребление гидравлических продуктов. Важнейшие обстоятельства, которые должно иметь в виду при употреблении гидравлических продуктов суть следующие: природа песка, употребляемого для раствора, количество воды, количество Ц. в растворе. Природа песка играет большую роль, особенно в морских сооружениях, где с механическим действием (волн, прибоя, приливов) соединяется химическое действие солей морской воды, еще недостаточно выясненное. Не все равно, какой песок взят для данного Ц., не только в зависимости от его состава (глинистый, известковый, кварцевый), но и от однородности и крупности зерна. В последнем отношении песок разделяется на:

1) Очень тонкий, проходящий через сито с 185 отв. на 1 линейном см (ткань 50).

2) Тонкий, проходит через № 30 (110 отв.) и задерживается на № 50.

3) Средний, проходит № 20 (75 отв.) и задерживается на № 30.

4) Крупный, проходит № 12 (45 отв.) и задерживается на № 20.

5) Гравий средний, проходит № 6 (20 отв.) и задерживается на № 12.

6) Гравий крупный, проходит № 2 (10 отв.) и задерживается на № 6.

Растворы, приготовленные на неоднородном песке, более склонны к разрушению, чем приготовленные на однородном. В каждом частном случае качество требуемого песка должно быть определено опытом. Крупный песок хорош для богатых Ц., мелкий дает сухие, непристающие гидравлические растворы. Разные образцы среднего наилучше отвечают частным случаям. Содержание Ц. в гидравлическом растворе находится в прямой зависимости от объема промежутков взятого песка. Наибольший объем -- в мелком песке; он тем менее, чем песок крупнее; самый малый объем отвечает смешанному песку. К этому надо прибавить, что в гидравлическом растворе остается всегда часть воздуха, бывшего в песке; она составляет 10% от объема для мелкого и 2--3% для грубого песка. Зная вес литра песка, объем промежутков и удельный вес его (2,53--2,8), можно по объему 1 кг Ц. (около 300 куб. см) вычислить выход теста и количество воды, для этого необходимой. Так, напр., при весе литра песка в 1300 гр. и уд. весе 2,7 -- объем промежутков (объем песка равен 482 куб. см) будет 518 куб. см, что определяет количество воды, а последней берут 25--28% от Ц. Нужно заметить, что воды берут всегда более, чем ее нужно при затвердевании. Пустоты, остающиеся в растворе (гидравлическом), при крупном песке почти отсутствуют, при мелком составляют 18% общего объема и при гидравлических известях доходят до 20% в пористых растворах и до 52% -- с легкой известью. Для морских сооружений на 1 куб. м песка берут 600 кг Ц., оставляющего не более 5% на сетке в 900 отверстий; в противном случае Ц. надо брать более. Для сухопутных работ берут 250--350 кг Ц. на 1 куб. м песка и даже 200 кг, т. е. 1/6 -- 1/4 по объему. Отношение между сопротивлением Ц. и раствора, из него приготовленного (полагая 3 ч. песку на 1 ч. Ц.), выражается опытной формулой для коэффициента упругости при сжатии (в килограммах). Для чистого Ц.:

Е = 100000[4,556 -- 183,5/(79+ t)].

Для раствора:

Е = 100000[5,35 -- 421/(200+ t)].

Здесь t выражает возраст раствора или Ц. в днях.

Бетон (см.) -- способ употребления Ц. для построек в виде гидравлического раствора, заполняющего промежутки камней, щебня и пр., весьма распространен; для морских и крепостных сооружений берут 2 объема раствора (из 1000 кг Ц. на 1 куб. м песка) на 1 объем камней; бетон обыкновенно утрамбовывается (но не сильно). Иногда употребляются смеси пуццолан с Ц., руководясь соображением, что портланд-Ц. содержит свободную известь; но так как и обыкновенный порошок извести дает тот же эффект, то и резоннее отнести этот последний не к химическим, а к физическим явлениям.

Шлаковые Ц. В последнее время шлаки доменных печей получили применение для производства медленно твердеющих Ц. Но так как такое производство вследствие дешевизны шлаков часто переходит в фальсификацию портланд-Ц., то оно и вызвало ряд регламентационных мер. Сравнив состав портланд-Ц. с составом доменных шлаков, легко видеть их подобие, с тем различием, что в Ц. более извести и менее кремнезема.

В способе Farinaux к расплавленному шлаку прибавляют столько извести, чтобы вышел хороший Ц., тем не менее, результаты неудовлетворительны. Тетмайер особенно настаивал на том, что гранулированный [Быстро охлажденный (в виде зерен) в воде] шлак владеет гидравлическими свойствами. Уд. вес шлака около 2,75, и Ц. из него при надлежащем приготовлении выдерживает все необходимые пробы. Шлаковый Ц. дает лучшие результаты в воде, чем в воздухе, где Ц. (шлаковые) с содержанием 40--50% извести могут после нескольких лет начать расслаиваться (Тетмайер) с поверхности и раскрашиваться в порошок. Сопротивление шлакового цемента много менее, а способность сохраняться (особенно во влажном месте) много хуже, чем обыкновенного. Все это повело к тому, что в настоящее время фабриканты обязаны отмечать на таре не только чистый шлаковый Ц., но и количество прибавки его к обыкновенному, если она превосходит известную величину, допускаемую для примесей к портландскому Ц. Ср. "Технология", Ильенкова; "Технология", Бунге; журнал "Цемент" (прилож. к журналу "Зодчий"; статьи Шуляченко, Белелюбского); Candlot, "Chaux et ciments"; Shoch, "Die Aufbereitung der Portland-Cement"; "Deutsche Portland-Cement und Beton-Industr i e" (Дюссельдорфская выставка 1902 г.). Кроме того, к этой основной литературе надо прибавить Naske, "Die Fabrication der Cemente" (1903), Tournebome, Шуляченко ("Современная номенклатура воздушных и гидравлических Ц.").