Цемент можно охарактеризовать как материал, обладающий адгезивными и когезионными свойствами, которые позволяют соединять фрагменты материалов в компактное целое.
Можно видеть, что он изготавливается, в основном, из комбинации известковых материалов, таких как известняк или мел, кремнезем и глинозем, встречающийся в виде глины или сланца.
Цемент — это связующее вещество, которое схватывается и твердеет независимо друг от друга и может связывать другие материалы вместе. Название «цемент» восходит к римлянам, которые использовали термин «opus caementicium» для описания каменной кладки, которая напоминала бетон и была сделана из щебня с добавлением жженой извести в качестве связующего вещества. Добавки из вулканического пепла и измельченного кирпича, которые были добавлены к обожженной извести для получения вяжущего вещества, позже стали называться цементом, cimentum, cäment и cementcement cementum и цементно-стружечной смеси. Цементы, используемые в строительстве, подразделяются на гидравлические и негидравлические.
Наиболее важным применением цемента является производство строительных растворов и бетона — связывание природных или искусственных заполнителей для получения прочного строительного материала, который устойчив к воздействию окружающей среды.
Цемент не следует путать с бетоном, поскольку термин «цемент» непосредственно относится к сухому порошкообразному веществу. После добавления воды и/или добавок смесь уже называется не цементом, а бетоном, независимо от того, были ли уже добавлены заполнители или нет. История появления цемента — это не случайное открытие, а долгий путь.
Гидравлический цемент в сравнении с негидравлическим
Гидравлические цементы — это материалы, которые схватываются и твердеют после смешивания с водой в результате химических реакций с водой для смешивания и которые после затвердевания сохраняют прочность и стабильность даже под водой. Ключевым требованием для такой прочности и стабильности является то, что гидраты, образующиеся при немедленной реакции с водой, практически нерастворимы в воде. Большинство современных строительных цементов являются гидравлическими. Большинство из них основаны на портландцементе, который производится в основном из известняка, некоторых глинистых минералов и гипса в процессе высокотемпературной обработки Термобработка удаляет углекислый газ и химически объединяет основные ингредиенты в новые соединения.
Негидравлический цемент
К негидравлическим цементам относятся такие материалы, как (негидравлические) известковые и гипсовые штукатурки, которые необходимо хранить сухими для придания прочности, а также хлорокислые цементы, содержащие жидкие компоненты. Известковые растворы, например, «схватываются» только при высыхании и очень медленно набирают прочность за счет поглощения углекислого газа из атмосферы с образованием карбоната кальция в результате карбонатации.
Схватывание и твердение гидравлических цементов обусловлено образованием водосодержащих соединений, которые образуются в результате реакций между компонентами цемента и водой. Реакция и продукты реакции называются гидратацией и гидратами или гидратной фазой соответственно. В результате немедленного начала реакций может наблюдаться затвердевание, которое вначале является незначительным, но со временем увеличивается. Момент, когда затвердевание достигает определенного уровня, называется началом схватывания. Дальнейшее уплотнение называется схватыванием, после чего начинается фаза твердения. Затем прочность материала на сжатие неуклонно растет в течение периода, который варьируется от нескольких дней в случае цементов со сверхбыстрым твердением до нескольких лет в случае обычных цементов.
История цемента
Раннее использование
Самым ранним строительным цементам столько же лет, сколько и самому строительству был негидравлический. Везде, где использовались примитивные сырцовые кирпичи, их скрепляли тонким слоем глиняного раствора. Материалы на основе глины также
использовались для облицовки стен деревянных или глинобитных сооружений. Известь, вероятно, впервые была использована в качестве добавки при отделке и для стабилизации глиняных полов. «Мазня», состоящая из грязи, коровьего навоза и извести, образует прочное покрытие из белков коровьего навоза, благодаря коагуляции извести. Эта простая система была распространена в Европе до недавнего времени. С появлением обожженного кирпича и его использования в более крупных постройках различные культуры начали экспериментировать с более прочными строительными растворами на основе битума (в Месопотамии), гипса (в Египте) и извести (во многих частях света).
Неясно, где впервые было обнаружено, что из комбинации гашеной негидравлической извести и пуццолана получается гидравлическая смесь, но бетон, изготовленный из таких смесей, впервые широко использовался римлянами. В этих бетонах использовались как натуральные пуццоланы (пемза), так и искусственные пуццоланы (молотый кирпич или керамика). Многие образцы конструкций, изготовленных из этих бетонов, сохранились до сих пор, в частности, огромный монолитный купол Пантеона в Риме. В средневековой Европе использование конструкционного бетона прекратилось, хотя слабые пуццолановые бетоны продолжали использоваться в качестве заполнителя для каменных стен и колонн.
Современный цемент
Современные гидравлические цементы начали разрабатываться с началом промышленной революции (около 1800 года), что было обусловлено тремя основными потребностями:
- Гидравлическая штукатурка для отделки кирпичных зданий во влажном климате
- Гидравлические растворы для кладки при строительстве портовых сооружений, контактирующих с морской водой.
- Создание прочных бетонов.
В частности, в Великобритании в период бурного роста цен на строительный камень стало обычной практикой возводить престижные здания из нового промышленного кирпича и отделывать их штукатуркой, имитирующей камень. Для этого использовались гидравлические цементы, но необходимость в быстром затвердевании подтолкнула к разработке новых цементов.
Римский цемент Паркера
Самым известным из них был «римский цемент» Паркера. Он был разработан Джеймсом Паркером в 1780-х годах и, наконец, запатентован в 1796 году. На самом деле, это был не какой-либо другой материал, который использовали римляне, а «натуральный цемент», изготовленный путем обжига септариев — конкреций, которые встречаются в некоторых залежах глины и содержат как глинистые минералы, так и карбонат кальция. Обожженные конкреции были измельчены в мелкий порошок. Этот продукт, приготовленный в виде раствора с добавлением песка, схватывается за 5-15 минут. Успех «Римского цемента» побудил других производителей разработать конкурирующие продукты на основе искусственных смесей глины и мела.
Исследования британского механика и инженера Джон Смитона
Британский механик и инженер Джон Смитон внес важный вклад в развитие цементного производства, когда планировал строительство третьего маяка Эддистоун (1755-1799) в проливе Ла-Манш. Ему нужен был гидравлический раствор, который бы схватывался и набирал определенную прочность в течение двенадцати часов между последовательными высокими приливами. Он провел исчерпывающее маркетинговое исследование доступных видов гидравлической извести, посетив их производственные площадки, и отметил, что «гидравлическость» извести напрямую связана с содержанием глины в известняке, из которого она была изготовлена. Смитон был инженером-строителем по профессии и не стал развивать эту идею дальше.
Луи Вика изобретатель подобия портландцемента
Очевидно, не зная о работе Смитона, тот же принцип был сформулирован Луи Вика в первом десятилетии девятнадцатого века. Луи Вика французский инженер, изобретатель цементного клинкера и подобия портландцемента. В 1817 году Вика изобрел метод смешивания мела и глины в однородную смесь и, обжигая ее, получил «искусственный цемент».
Патент на современный портландцемент Аспдина
Английский каменщик Джозеф Аспдин (1779—1855 гг.) в 1824 году запатентовал аналогичный материал, который он назвал портландцемент, потому что штукатурка, изготовленная из него, по цвету напоминала престижный портландский камень.
Все вышеперечисленные продукты не могли конкурировать с известково-пуццолановыми бетонами из-за быстрого схватывания (что давало недостаточно времени для укладки) и низкой первоначальной прочности (требовалось много недель для снятия опалубки).
Прочность гидравлических известей, «натуральных» и «искусственных» цементов зависит от содержания в них белита. Белит набирает прочность медленно. Поскольку они были обожжены при температуре ниже 1250 °C, в них не содержался алит, который отвечает за высокую прочность современных цементов.
Первым цементом, который постоянно содержал алит, был цемент, изготовленный сыном Джозефа Аспдина Уильямом в начале 1840-х годов. Сегодня это то, что мы называем «современным» портландцементом. Из-за атмосферы таинственности, которой Уильям Аспдин окружал свой продукт, другие претендовали на первенство в этом изобретении.
Начиная с 1850 года, использование бетона в строительстве быстро росло, и вскоре оно стало доминирующим в производстве цемента. Таким образом, история появления цемента говорит о том что портландцемент стал играть доминирующую роль в строительстве.
