Необходимость дальнейшего развития технологии цементов, усовершенствование существующих и создание новых способов производства эффективных видов цементов, расширение сырьевой базы цементной промышленности - все это требует интенсивной творческой работы специалистов различных отраслей знания.

Большое значение в успешном разрешении этих вопросов должно иметь развитие и углубление существующих знаний в области химии цементов.

Заметный прогресс цементной технологии, достигнутый за последние два-три десятилетия, в значительной мере был обусловлен развитием учения о фазовом, минералогическом составе цементного клинкера, выявлением основных характеристик механизма процессов клинкерообразования и гидратации цементов.

Новые, более совершенные методы позволяют исследователю глубже проникнуть в тонкие детали строения вещества, выявить сущность химических процессов, протекающих при обычных и повышенных температурах, установить причины, обусловливающие изменения реакционной способности веществ в зависимости от внешних условий и внутреннего их строения.

Автор настоящей книги попытался дать сводку главнейших результатов, достигнутых трудами русских и иностранных химиков в развитии химии цементов, и содействовать, таким образом, выполнению грандиозных задач, поставленных перед отечественной цементной промышленностью директивами партии и правительства.

Глава I. Химический состав портландцемента
Глава II. Методы исследования
Глава III. Фазовый состав портландцементного клинкера
Глава IV. Кристаллохимия цементов
Глава V. Физико-химические системы, образуемые компонентами цементного клинкера
Глава VI. Процессы, протекающие при обжиге цементного клинкера
Глава VII. О действии цементного клинкера на огнеупорную футеровку
Глава VIII. Гидратация и твердение цементов
Глава IX. Пластификация и гидрофобизация цементов
Глава Х. О воздействии агрессивных кислых и сульфатных вод на портландцемент
Глава XI. Шлаковые цементы
Глава XII. Глиноземистый цемент

Введение

Высокий технический уровень современной цементной промышленности, производящей разнообразную и высококачественную продукцию, используемую в различных отраслях народного хозяйства в количествах многих миллионов тонн, был достигнут в результате накопления опыта поколениями ученых, техников и практиков, работавших в области производства и применения различных строительных материалов.

Весьма значительный вклад был сделан в этом отношении нашими соотечественниками, начиная от неизвестных нам строителей великолепных архитектурных сооружений древней Руси, стран Средней Азии и Кавказа и кончая нашими современниками — советскими учеными, инженерами и передовиками производства.

Древние строители в качестве цементирующих вяжущих веществ при возведении крупных сооружений применяли преимущественно строительные растворы, полученные на основе гипса, обожженного при сравнительно низкой температуре, порядка 120—200° или воздушной извести, изготовляемой обжигом чистых или доломитизированных известняков при 1000—1200°С.

Эти вещества относятся к категории воздушных вяжущих. Такие известково-гипсовые вяжущие, в частности, использовались при строительстве пирамид в Египте. Применение измельченной вулканической породы — пуццолан — для получений водоустойчивого известково-пуццоланового цемента было известно еще древним римлянам, создавшим ряд выдающихся гидротехнических сооружений. Исследование древних сооружений Грузии и Армении также показало наличие в составе строительных растворов вулканических пеплов и пемзы. Древнерусские строители из-за отсутствия на территории древней Руси вулканических горных пород, обладающих пуццоланическими свойствами, практиковали добавление к известковым растворам тонкоизмельченного боя недожженного строительного красного кирпича.

Первые руководства по технологии вяжущих веществ, в которых был систематизирован и обобщен весь опыт, накопленный к тому времени русскими учеными и техниками, появились во второй половине XVIII в. Развитие градостроительного и горнозаводского дела в России, вызванное реформами начала XVIII в., потребовало соответствующего развития производства строительных материалов.

Одной из первых книг такого рода, вышедшей в 1784 г., является «Зрелище природы и художеств», в которой описывается технология обжига строительного гипса. Более детальные сведения по этому же вопросу излагаются в сочинении И.А. Двигубского «Начальные основания технологии или краткое показание работы на заводах и фабриках производимых», опубликованном в Москве в 1807 г. В этой же книге приводится описание производства строительной извести.

В «Трудах Вольного экономического общества» и в «Технологическом журнале», начиная с 1784 г., известным русским ученым- химиком и минералогом В.М. Севергиным публикуется ряд научных работ, доказывающих целесообразность использования в производстве вяжущих веществ известняков с повышенным содержанием глинистых примесей. Продуктом обжига таких известняков является гидравлическая известь, отличающаяся повышенной водоустойчивостью.

В первой четверти XIX в. рядом работников Петербургского института путей сообщения и московскими строителями был получен основной продукт современной цементной технологии — портландцемент. Результаты этих работ были опубликованы Шарлевилем в 1822 г. и Егором Челиевым в 1825 г. Расширение портландцементного производства в России в середине XIX в. оказало весьма активное воздействие на дальнейшее развитие научных и научно-технических изысканий в области цементов.

В 1863 г. был опубликован научный труд инженеров И. Езиоранского и Д. Заботкина, в котором авторы, изложив первую, по существу, научную теорию твердения и коррозии цемента, значительно раньше ученых других стран выявили следующие основные химические процессы, протекающие при твердении цемента: 1) гидратацию сложного известкового силиката, сопровождающуюся выделением гидрата окиси кальция, 2) переход в гидраты простых соединений окиси кальция с окисью алюминия, 3) переход гидрата окиси кальция в карбонат.

Позднейшими исследователями процессов гидратации цементов было подтверждено фундаментальное значение реакций, впервые открытых И. Езиоранским и Д. Заботкиным.

Д.И. Менделеев в «Основах химии», написанных в 1868—1870 гг., неоднократно обращался к вопросам, связанным с химией силикатов и, в частности, химией цементов. Его формулировка: «Гидравлические свойства цементов определяются тем, что в них находятся могущие соединяться с водой и образовывать гидратные водою неизменяющиеся соединения»,— и в настоящее время имеет первостепенное значение для понимания основ теории твердения цементов.

Весьма плодотворным для развития теоретических представлений 0 строении гидратированных силикатов кальция является также введенные Д.И. Менделеевым понятия о существовании среди силикатов многочисленных соединений переменного состава и о возможности замещения глинозема в алюмосиликатах кремнеземом. Дальнейшая разработка теории твердения цементов производилась A. Ле-Шателье (1887) и В. Михаэлисом (1892). По А. Ле-Шателье сущность этого процесса в основном определяется явлениями кристаллизации продуктов гидратации, а по Михаэлису основное значение в твердении цементов имеют коллоидно-химические процессы.

Позднее (1923—1931 гг.) крупнейшим русским ученым, академиком А.А. Байковым, в его знаменитой теории твердения цементов было доказано, что в действительности при гидратации цементов имеют основное значение и коллоидно-химические и кристаллизационные явления. А.А. Байковым, кроме того, выявлена роль защитных пленок, которые образуются вокруг зерен цемента, подвергающихся воздействию водных растворов. Особо следует отметить исследования А.А. Байкова в области коррозии цементов под воздействием агрессивных минерализованных вод.

К началу XX в. относится развитие научных основ защиты бетонных сооружений от коррозии и улучшение гидротехнических свойств цементов и бетонов введением пуццоланических добавок. Н.Н. Лямину принадлежит заслуга открытия месторождения пуццолан вулканического происхождения в Крыму и разработка методики термического анализа гидратированных цементов.

Большое значение для успешного разрешения проблемы создания устойчивых пуццолановых цементов имели работы Н.А. Белелюбского, В.Н. Чарномского, С.И. Дружинина, А.А. Байкова, B.А. Кинда, В.Н. Юнга и ряда других русских ученых.

Интенсивное развитие научно-исследовательской работы в области цементов в СССР совпадает с временем восстановления, реконструкции и невиданного по масштабам расширения объема производства цементов в годы довоенных пятилеток.

Именно к этому периоду относятся создание и развитие коллоидно-кристаллизационной теории твердения цементов А.А. Байковым, работы С.И. Дружинина и В.А. Кинда по пуццолановым цементам, фундаментальные исследования П.П. Будникова в области гипсовых и шлаковых цементов, заложившие основы теории твердения шлаковых вяжущих и приведшие к созданию ряда новых цементов типа ангидрито-глиноземистого, бесклинкерного и других.

В результате работ В.А. Кинда, Д.С. Белянкина, Н.И. Левина, Г.С. Вальберга, М.Ф. Чебукова и других были разрешены многие вопросы, связанные с теорией и практикой получения и применения глиноземистого цемента.

В.Н. Юнг создает свою теорию обжига портландцементного клинкера во вращающихся и шахтных печах и выдвигает идею об особом характере структуры цементного камня, представляющего по его теории особый микробетон, наполнителями в котором являются не полностью прореагировавшие зерна цементного порошка.

Эта идея В.Н. Юнга оказалась весьма плодотворной и привела к созданию новых цементов и бетонов с микронаполнителями.

Физико-химические и минералогические исследования академика Д.С. Белянкина и его учеников содействовали разработке новых типов цементов, установлению зависимости ряда свойств цементов от их фазового состава и микроструктуры.

Теория ионного строения силикатных расплавов, детально разработанная в СССР главным образом в работах О.А. Есина и К.С. Евстропьева, имеет большое значение для дальнейшего развития теории гидратации гранулированных доменных шлаков и выявления тонкого механизма формирования клинкерных минералов путем ионной диффузии в жидкой фазе цементного клинкера. Вопросы механизма и кинетики минерализующего действия различных, главным образом фтористых, добавок на процессы клинкерообразования разрабатывались в трудах Н.В. Белова, В.Ф. Журавлева, С.Д. Макашева и др.

Большое значение для дальнейшего развития теории гидратации цементов имеют коллоидно-химические исследования, проводимые в широком масштабе акад. П.А. Ребиндером.

Автором этой книги детально разрабатывается теория строения и условий формирования твердых растворов, образуемых фазами цементного клинкера, направленная к выявлению основных факторов, определяющих реакционную способность цементного порошка в зависимости от его фазового состава и внешних условий, в которых протекает твердение цементного камня.

Все эти вопросы автор попытался изложить на основе современных научных данных, желая по мере сил содействовать дальнейшему развитию работ советских специалистов в сложной сравнительно малоразработанной, но весьма интересной, увлекательной и очень нужной для промышленности области химической науки — химии цементов.