История развития производства минеральных вяжущих материалов

Лекция 1.

Минеральных вяжущих материалов

Технология производства

Москва 2014

Роль минеральных вяжущих в развитии культуры и техники. Без них невозможно было бы возведение зданий, мостов … Они применяются для соединения отдельных элементов или составных частей в единую монолитную конструкцию. Среди строительных материалов они занимают одно из первых мест.

В глубокой древности, когда люди ещё не знали вяжущих веществ, каменные строения складывали насухо из больших камней (отёсанных или неотёсанных), плотно пригонявшихся друг к другу. Иногда эти камни скрепляли между собой скобами. Однако строить таким образом сколько-нибудь значительные сооружения было невозможно, а поэтому люди стали изыскивать другие способы соединения отдельных камней.

В качестве первого вяжущего материала люди научились использовать глину, так как её пластические и вяжущие свойства были известны очень давно. Глину можно использовать в качестве вяжущего, не обжигая.

Известно, что при высыхании жирное глиняное тесто даёт усадку и трескается. Чтобы избежать этого стали употреблять запесоченную глину или смесь глины с песком. Такие глиняные растворы имели невысокую прочность. Чтобы увеличить её, к глине добавляли различные волокнистые материалы. Например, солому. Таким образом и сегодня изготовляют кирпич-саман (рис. 1).

Рис. 1. Кирпич-саман

Глину в качестве вяжущего материала применяют и поныне для кладки небольших печей, устройства глинобитных полов и изготовления других частей небольших строений, от которых не требуется значительная прочность, глинобитные дома, украинские мазанки (рис.2).

Рис. 2. Дома-мазанки

Примерно за 4…3 тыс. лет до нашей эры стали появлятьсяболее прочные вяжущие вещества, получаемые искусственно – путём обжига. Первым из этой группы был, по-видимому, строительный гипс, получаемый обжигом гипсового камня при сравнительно невысокой температуре – 140…190 ^ОС. Вслед за гипсом появилась воздушная известь, изготовляемая путём обжига при более высокой температуре.

  Рис.3. Египетские пирамиды

Египтяне применяли гипс при возведении пирамид (рис.3) и других монументальных сооружений. Они изготовляли растворы также из смеси гипса с известью. При сооружении некоторых пирамид использовали известковый раствор. Столь ранее появление строительного гипса и извести объясняется, по-видимому, тем, что залежи применяемых для их производства гипсового камня и известняка довольно широко распространены и легко разрабатываются.

Рис.4. Десятинная церковь	Рис.5. Стены Московского кремля

Долгие годы в строительстве не использовались другие вяжущие вещества, кроме глины, строительного гипса и воздушной извести. Однако эти материалы не отличались водостойкостью.

Для повышения водостойкости в известковые растворы стали добавлять пылевидный тонкодисперсный материал – смесь вулканического пепла, пемзы, туфа, так называемую пуццолану (итал. pozzolana). Первое упоминание о месте добычи пуццоланы, зафиксированное в письменных документах, относится к холмам у г. Путеолы в районе вулкана Везувий. В римский и византийский периоды этот материал широко применялся для строительства фундаментов, водонепроницаемых перекрытий и различных гидротехнических сооружений (водопроводы, акведуки, термы, цистерны, водонаполняемые рвы, пирсы и молы). Основным месторождением в Византии являлся район Кизика.

На Руси развитие производства вяжущих материалов связано со строительством древних городов – Киева, Новгорода, Ростова, Владимира, Москвы. Эти материалы использовались при строительстве крепостных стен, башен, соборов. Древнейшее сохранившее сооружение, построенное на извести – Десятинная церковь в Киеве (990 г.) (рис.4). На извести были сооружены в 1485…1495 г.г. стены Московского кремля (рис. 5).

В 1584 г. в Москве был учреждён «Каменный приказ», который наряду с заготовкой строительного камня и выпуском кирпича ведал также производством извести.

Кирпичное производство давало в те времена много боя, использование которого для изготовления известковых растворов вместо песка положило, по-видимому, начало получению известково-цемяночных растворов, отличающихся повышенной прочностью и водостойкостью.

Развитие мореплавания в XVII…XVIII веках потребовало для строительства портовых сооружений создания новых вяжущих, устойчивых к действию воды. В 1756 г. англичанин Д.Смитон обжигом известняка с примесями глины получил более водостойкое, чем воздушная известь, вяжущее, названное гидравлической известью.

В 1796 г. англичанином Д. Паркером был запатентован романцемент (римский цемент). Своё название он получил благодаря своей схожести с вяжущими, получаемыми римлянами для строительства гидротехнических сооружений с применением пуццолановой добавки. Романцемент получали из мергелей, содержащих более 25% глинистого компонента. По сравнению с гипсом и воздушной известью эти строительные материалы обладали несомненным преимуществом – водостойкостью. Поэтому они быстро вошли в строительную практику и до второй половины XIX в. являлись основными вяжущими веществами для гидротехнических сооружений.

ВXVIII веке в России появляются первые книги, в которых в той или иной степени освещаются вопросы технологии производства и применения вяжущих веществ и обобщаются накопленные к тому времени опытные данные. Так, в вышедшей в 1784 г. книге «Зрелище природы и художеств» описывается, в частности, обжиг строительного гипса.

Работавший в качестве профессора по курсу строительного искусства в Петербургском институте корпуса инженеров путей сообщения французский учёный Антуан Рокур де Шарлевиль опубликовал в 1822 г. «Трактат об искусстве изготовлять хорошие строительные растворы …» В этом обширном труде приводятся результаты исследований известковых пород Петербургской губернии с целью получения из них воздушной и гидравлической извести. Автор перечисляет многие естественные и искусственные гидравлические добавки, причём указывает, что кремнезём в виде геля придаёт воздушной извести гидравлические свойства, а кремнезём в виде зёрен (кристаллический) не оказывает такого влияния. Он отмечает превосходство специально обожжённой глины (глинита) над толчёным кирпичом (цемянкой) в качестве искусственной гидравлической добавки и объясняет это более активным, растворимым состоянием в глините кремнезёма и полуторных окислов.

В трактате различаются три гидравлические продукта. При обжиге природной смеси глины и известняка образуется «гидравлическая известь, представляющая настоящий натуральный цемент». Если обжечь смесь необожжённой глины с известью, то получают «гидравлическую известь, представляющую искусственный цемент». Смешивая же обожжённую глину с известью, можно получить «искусственную гидравлическую известь, так называемый искусственный цемент, изготовленный на холоду». В трактате изложены основы подбора состава растворов и ряд других важных вопросов.

После Отечественной войны 1812 г. в Москве развернулись масштабные строительные работы. Начальник военно-рабочей бригады мастерских команд, производивших строительные работы в Кремле, Е.Г. Челиев обобщил накопленный опыт и описал способ производства гидравлического вяжущего. В 1825 г. была издана его книга «Полное наставление как изготовлять дешёвый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений, как-то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов, и штукатурки каменных и деревянных строений».

В этой книге Е. Челиев описывает производство вяжущего вещества из искусственной сырьевой смеси, состоящей из одной части извести, обожжённой из известняка, и одной части глины. Эти материалы смешивались друг с другом в присутствии воды, из полученной смеси формовались кирпичи, которые обжигались в горне на сухих дрова добела (примерно при температуре 1100…1200 ^ОС). Продукт обжига он предлагал измельчать на жерновах и просеивать через решета и грохоты, а затем упаковывать в бочки. Характерно, что Е. Челилев считал необходимым брать гашёную известь, а не молотый известняк, так как последний нельзя было измолоть на существовавших в то время аппаратах до такой степени, какую имеет гашёная известь.

В 1824 г. англичанином Джозефом Аспдиным был заявлен патент на производство вяжущего вещества, названного им портландцементом, так как это вещество в затвердевшем виде по цвету и прочности сильно походило на портлендский камень, добываемый вблизи г. Портленда. Получали портландцемент путём обжига искусственной сырьевой смеси известняка с глиной до полного удаления углекислоты (т.е. при температуре порядка 900…1000 ^ОС) и последующего измельчения обожжённого материала в порошок. Хотя название «портландцемент» и сохранилось впоследствии, однако полученный Аспдиным цемент не был портландцементом в современном смысле этого слова, а представлял собой разновидность романцемента с несколько повышенной температурой обжига. Получаемый по способу Аспдина продукт должен был обладать более низкими свойствами по сравнению с вяжущим, произведённым по способу Е. Челиева.

Только со временем, благодаря развитию науки и техники стало возможным получать вяжущее, которое мы сегодня называем портландцементом.

Первый завод по производству товарного романцемента в России был пущен в Петербурге в 1839 г., затем были построены заводы в Усть-Ижоре в 1848 г. и под Подольском в 1849 г. В 1913 г. в России насчитывалось 16 заводов, выпускавших романцемент.

Со второй половины XIX в. портландцемент прочно вошёл в строительную практику.

Первый завод по производству портландцемента в нашей стране был основан в 1856 г. в г. Гродзеце Петроковской губернии; производительность его составляло около 4000 т в год. Затем были запущены цементные заводы и в ряде других мест. Заводы в Подольске (1875 г.), Новороссийске (1882 г.), Вольске (1897 г.) в настоящее время являются крупнейшими предприятиями по производству портландцемента.

К началу первой мировой войны в России работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн.т. цемента.

Большое значение для развития цементной промышленности в России и для внедрения портландцемента в строительство имели труды русских учёных, и прежде всего А.Р. Шуляченко (1841-1903гг.), который разработал научные основы испытания цемента. Его называют «отцом» русского цементного производства. В 1881 г. А.Р. Шуляченко и И.Г. Малюга разработали первые русские нормы на портландцемент. В 1885 г. в России созывается первый съезд по цементному производству, а в 1903 г. по инициативе бюро цементных съездов под руководством А.Р. Шуляченко начал издаваться журнал «Цемент». Большие работы по исследованию свойств портландцемента проводили И.Г. Малюга (1853-1933), Н. А. Белелюбский (1845-1922 гг.), Н.Н. Лямин (1870-1912 гг.), Н.М. Беляев (1880-1944), И. П. Александрин (), Б. Г. Скрамтаев (1905-1978), К. С. Завриев (1891-1978).

В 1880 г. немецким учёным Михаэлисом был предложен способ приготовления силикатного кирпича с применением автоклавной обработки сырца. Древнейший строительный материал – известь - получил новое применение.

Одновременно с совершенствованием технологии производства портландцемента велась разработка новых гидравлических вяжущих. Для строительства подземных и гидротехнических сооружений начали применять пуццолановый портландцемент, представляющий собой смесь портландцемента и активной минеральной гидравлической добавки, повышающей водостойкость изделий. В России впервые пуццолановый портландцемент был использован в 1868 г., после двухлетних производственных опытов, начатых в 1866 г. Развитие металлургического производства дало цементной промышленности возможность использовать доменные шлаки; на их основе производят шлакопортландцемент и другие смешанные шлаковые вяжущие.

В 1908 г. благодаря исследованиям французского учёного Бидо и американского Шпекмана – было получено новое вяжущее вещество - глинозёмистый цемент, отличающийся быстрым нарастанием прочности. Через сутки твердения этот цемент давал прочность, примерно равную месячной прочности обыкновенного портландцемента. В результате работ В. В. Михайлова, И. В. Кравченко, Б. Г. Скрамтаева, Лосье на основе глинозёмистого цемента стали впоследствии (в середине ХХ столетия) получать расширяющийся цемент, который необходим для ряда специальных строительных нужд.

Современная строительная индустрия предъявляет к вяжущим материалам новые требования. Для производства железобетона нужен быстротвердеющий портландцемент, для строительства бетонных сооружений, работающих в условиях сульфатных вод, - сульфатостойкий портландцемент, для возведения массивных сооружения во избежание внутренних напряжений необходимо, чтобы цемент выделял при твердении небольшое количество тепла; для декоративных целей нужны белые и цветные цементы; для цементации нефтяных и газовых скважин необходим отвечающий специальным требованиям тампонажный цемент; путём введения небольших количеств поверхностно-активных добавок стали выпускать пластифицированный и гидрофобный портландцементы. Сейчас выпускается около 30 различных видов цементов.

Сбывается предсказание Д.И. Менделеева, сказавшего в 1891 году, что цемент, «составляющий одно из важнейших приобретений между приложениями химии и потребностями жизни, есть строительный материал будущего».

В настоящее время ведутся работы по производству и использованию вяжущих (или цементов) низкой водопотребности (ВНВ или ЦНВ), дающих в результате твердения значительно большую прочность, чем обычные портландцементы.

В основу классификации вяжущих веществ подложены условия, в которых они проявляют свои вяжущие свойства, и с этой точки зрения их разделяют на 4 группы: воздушные, гидравлические, автоклавноо твердения, термотвердеющие.

Воздушные вяжущие вещества при затворении водой схватываются, твердеют и превращаются в камень только на воздухе. К этой группе относятся строи тельная воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие материалы.

Гидравлические вяжущие вещества (цементы) способны при затворении водой после предварительного затвердевания (схватывания) на воздухе продолжать твердеть в воде, сохраняя и наращивая свою прочность. К ним относятся портландцемент, шлакопортландцемент, глинозёмистый цемент и др.

Автоклавные вяжущие вещества превращаются в камень лишь при гидротермальной обработке в среде насыщенного водяного пара при температуре 150…200 ^ОС и давлении 0,9…1,3 МПа, т.е. в автоклаве. Это известково-кремнезёмистые вяжущие, основе которых получают силикатный кирпич и силикатные бетоны.

Термотвердеющие вяжущие вещества твердеют только при термообработке при температуре выше 200 ^ОС, как правило, до 400 ^ОС, например, фосфатные цементы.

Дата добавления: 2014-11-29