Цементы – основные гидравлические вяжущие вещества. Главная их составная часть – силикаты и алюминаты кальция, образующиеся в результате обжига (до спекания) исходного сырья, состав которого определяется видом цемента.
Цементная промышленность СНГ производит более 30 видов цементов. Из них наибольший объем выпуска имеют портландцемент (около 66 %), шлакопортландцемент (около 27 %), и пуццолановый портландцемент (около 6 %).
Портландцемент (ГОСТ 10178—76) – наиболее характерный и распространенный представитель гидравлических вяжущих веществ, получаемый при совместном тонком измельчении портландцементного клинкера и необходимого количества гипсового камня. Технологический процесс производства портландцемента включает добычу в карьере сырья, подготовку сырьевой смеси, получение клинкера путем обжига (до спекания) смеси при температуре до 1450 °С на спекательных решетках или во вращающихся печах, помол клинкера совместно с добавками в тонкий порошок.
Исходным сырьем служат мергели, известняки (или мел) и глины. С мергелем, представляющим собой природную смесь тончайших частиц известняка и глины, в состав цемента вносятся все необходимые оксиды (кальция, кремния, алюминия и железа). С известняком (или мелом) в цемент поступает основной компонент – оксид кальция, остальные попадают из глины.
Сырьевую смесь чаще составляют из двух или нескольких компонентов, поскольку мергели с химическим составом, обеспечивающим получение клинкера необходимого качества, встречаются в природе редко. Обычно сырьевая смесь состоит в среднем из 75 % известняка и 25 % глины. Портландцемент с заданными свойствами получается при следующем содержании оксидов, %: кальция – 64 — 67, кремния – 19-24, алюминия – 4-7, железа – 2-6.
В зависимости от свойств сырья и типа обжигательных печей сырье к обжигу подготовляется сухим или мокрым способом. При сухом способе известняк и глину вначале дробят, высушивают и совместно измельчают; из полученной при этом сырьевой муки приготовляют гранулы в виде зерен диаметром 20—40 мм. Гранулы обжигают во вращающейся печи, получая клинкер, который затем измельчают совместно с гипсовым камнем и другими добавками. Гипсовый камень (до 5 %) добавляется для регулирования сроков схватывания цемента; шлак, доломит и другие добавки (до 15 %) – для снижения стоимости цемента без ухудшения его свойств.
При мокром способе процесс подготовки сырья включает предварительное измельчение сырьевых компонентов в отдельности и последующий помол их смеси в многокамерных сырьевых мельницах в присутствии воды, которая понижает твердость сырья и сокращает удельный расход энергии на помол. Получившийся при этом шлам в виде сметанообразной массы перекачивают в шламбассейны, где анализируют и при необходимости корректируют его состав. Затем шлам поступает во вращающуюся печь. Обожженный в печи продукт – клинкер – направляется в холодильник для охлаждения до 80—100°С, а из холодильника – на склад, где его выдерживают в течение одной-двух недель. За это время содержащийся в клинкере свободный оксид кальция гасится влагой воздуха, что обеспечивает равномерность изменения объема цемента в процессе его твердения. После этого клинкер поступает на помол совместно с добавками в многокамерные шаровые мельницы.
Клинкер портландцемента состоит из четырех клинкерных минералов, %: трехкальциевого силиката – 40-65, двухкальциевого силиката – 15 — 40, трехкальциевого алюмината – 3 -15 и четырехкальциевого алюмоферрита – 10 — 20. Каждый из них обладает специфическими свойствами, которые определяют свойства портландцемента. Наиболее активны трехкальциевый силикат, придающий цементу повышенную прочность и способность быстро твердеть, и трехкальциевый алюминат, обеспечивающий набор прочности цементом в первые сутки, а также интенсивное выделение теплоты.
При затворении портландцемента водой образуется пластичное клейкое цементное тесто, которое постепенно загустевает и затвердевает, переходя в камневидное состояние. Процесс твердения условно разделяют на три периода: растворение, коллоидация и кристаллизация.
Прочность цементного камня заметно нарастает в течение первых 7 суток. В интервале 7—28 суток рост прочности замедляется, в дальнейшем увеличение ее незначительно, но может продолжаться многие годы. В зависимости от прочности портландцемент подразделяется на четыре марки: 300, 400, 500 и 600, что соответствует пределу прочности при сжатии 30, 40, 50 и 60 МПа.
Портландцемент широко используется в строительстве и промышленности строительных материалов, в том числе в камнеобрабатывающем производстве, например для изготовления декоративных плит на основе природного камня.
Наряду с обыкновенным портландцементом отечественная цементная промышленность выпускает ряд его разновидностей, к которым относятся быстротвердеющий, сульфатостойкий, пластифицированный, белый, цветной и некоторые другие портландцемента специального назначения.
Быстротвердеющий портландцемент БТЦ (ГОСТ 10178—76*) характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в первые трое суток твердения. Применяется в случаях, когда требуется быстрое упрочение раствора и бетона, например при ремонтных и восстановительных работах.