Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Строительные материалы и изделия: технология активированных бетонов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ

История развития портландцемента

Исчерпывающую информацию об истории развития минеральных вяжущих веществ от древнейших времен до середины XIX в. можно получить из фундаментального труда И. Л. Значко-Яворского [1], а также работ В. Т. Иллиминской, В. Н. Лапина, В. В. Мышляевой, В. В. Суровцева, Б. С. Швецова и других авторов. Здесь же в предельно сжатом виде обозначим основные этапы развития и становления «серого золота», «хлеба строительства» — портландцемента и его разновидностей.

Использование минеральных вяжущих в строительной области своими корнями уходит во времена неолита. Возведение жилищ из пластичных составов естественных связующих продуктов (чернозема, глины) в сочетании с отощающими и армирующими составляющими (песком, соломой, опилками, камышем, тростником и т. п.) сменилось применением для строительных целей искусственных вяжущих материалов — извести и гипса, известных много тысячелетий до нашей эры. Подтверждением столь солидного возраста этих вяжущих веществ являются дошедшие до наших дней уникальные древнейшие объекты: знаменитые египетские пирамиды и легендарный лабиринт, римские Пантеон и Колизей, элементы несущих и стеновых конструкций, Великая Китайская стена, подобные монументальные сооружения в Греции, Индии, Латинской Америке.

Известковые и гипсовые вяжущие в сочетании с песком и крупным заполнителем позволяли получать достаточно прочный бетон, обладающий, тем не менее, весьма существенным недостатком — низкой водостойкостью, что сужало область его использования, делало невозможным возведение гидротехнических и подводных сооружений. Применительно к известковому вяжущему веществу проблема водоустойчивости, как показал римский опыт (Витрувий, Плиний, Фронтин), достаточно просто решается введением в состав жирной воздушной извести дисперсных гидравлических естественных и специально производимых добавок (диатомита, трепела, опоки, вулканического туфа, пемзы, топливных зол, кирпичной муки и др.). Данное вяжущее широко применялось при изготовлении крупных стеновых блоков, возведении молов, портовых, морских и прочих гидротехнических сооружений. Гидравлические добавки к известковым растворам стали настолько популярны в строительной практике, что на многие столетия задержалось открытие и внедрение принципиально новых вяжущих веществ — гидравлических известей и цементов — продуктов не просто механического соединения компонентов, а обжига естественных или специально составленных сырьевых смесей.

Бурное развитие в начале XVIII столетия естествознания, транспортной и строительной техники, мореплавания определило потребность во все возрастающих объемах более прочных и водостойких бетонов. Качественный скачек в развитии научных основ химии вяжущих веществ связан с именами Д. Блэка, Д. Пристли, Д. Смитона. В 1756 г. Дж. Блэк, работая с «белой магнезией» (углекислым магнием), открыл и изучил углекислый газ, а в 1774 г. Дж. Пристли — кислород, что позволило не только разрешить старую загадку горения, но и создать теоретическую базу производства известковых вяжущих веществ. Эти результаты позволили Дж. Смитону провести обширные и всесторонние исследования и стать непререкаемым авторитетом в области гидравлических известковых вяжущих веществ.

Следует упомянуть Джеймса Паркера, получившего в 1791 и 1796 гг. патенты (№ 1806 и № 2120) на «римский цемент» — продукт обжига с последующим помолом мергелистого известняка. Отличительным признаком этого цемента являлось отсутствие необходимости предварительного гашения и несравненно более высокие темпы отвердевания, повышенные прочностные и водостойкие свойства бетонов на его основе, по сравнению с существующими в то время вяжущими. Столь высокие технические свойства разработанного вяжущего позволили автору основать цементный завод в Лондоне под фирмой «Паркер и К0». По некоторым источникам в 1799 г. Дж. Паркер продал свой патент и завод Сэмюэлу Витту и эмигрировал в Америку. Витт же совместно со своим братом Чарльзом производили цемент (фирма «Партер и Витт») вплоть до 1846 г., после чего завод поглотила набирающая обороты компания Уильяма Аспдина.

Подобные научно-практические результаты были достигнуты во Франции (Анселин, Гариэль, Драпье, Лакордер, Лесаж), Германии (Фукс, Панцер, Лойбе, Швенк, Херинг), Америке (Уайт, Халм, Глас, Джильмора). Следует отметить чрезвычайную долговечность изделий из гидравлических цементов, несмотря на их относительно низкую прочность. В Германии, к примеру, и сейчас можно увидеть крыши зданий, покрытых цементно-песчаной черепицей и плиткой на основе этих вяжущих.

В России огромная заслуга в создании и развитии цементного производства принадлежит В. М. Севергину, И. А. Двигубскому, П. А. Ильенкову. Труды академика Василия Михайловича Севергина посвящены минералогии, химии, в том числе, проблеме повышения гидравлических свойств известковых вяжущих. Профессор Московского университета Иван Алексеевич Двигубский проводил исследования по обоснованию рационального сырья для производства извести, использованию различных дисперсных минеральных добавок (молотую керамику, сажу, каменноугольную золу и др.) в известковые составы для повышения «крепости», водостойкости и долговечности бетонов на их основе. Профессор Санкт-Петербургского университета, ученый-химик Павел Антонович Ильенков издал фундаментальный курс химической технологии вяжущих материалов, основанный на самых передовых по тем временам научных достижениях и новых представлениях о задачах химической технологии. Следует заметить, что по существу, стилистике, терминологии и характеру изложения этот научный труд весьма близок современному уровню знаний в области химии вяжущих веществ.

Заметный след в российской строительной отрасли оставил приглашенный из Франции в Петербург молодой и талантливый профессор Антуан Рокур де Шарлевиль. Наряду с образовательной деятельностью в созданном институте Корпуса инженеров путей сообщения, Шарлевиль разработал и внедрил ряд крупных государственных проектов (зданий, портовых и защитных сооружений морского ведомства, Спасского водовода в Николаеве, Севастопольских корабельных доков). Обобщая накопленный исторический опыт и результаты своих исследований, Шарлевиль опубликовал фундаментальный труд «Трактат об искусстве изготовлять хорошие строительные растворы и практические указания для правильного их применения...», одобренный научной общественностью и имевший большое значение в становлении российской цементной индустрии.

Изобретение портландцемента связано с именем каменщика из Лидса (Англия) Джозефа Аспдина (1779—1855 гг.), получившего в 1824 г. патент на свое (похожее на портландский камень) «лучшее» вяжущее. Согласно запатентованному способу, тонкоизмельченная смесь известняка и глины после предварительного высушивания в передвижном противне подвергается обжигу «до тех пор, пока углекислота полностью не выделится» с последующим помолом продукта в тонкий порошок и использованием при смешивании с достаточным количеством воды в качестве вяжущего материала «для желательных целей». Отметим, что заслуга автора состоит не столько в технологическом, сколько в терминологическом плане — термин «портландцемент» существует и будет существовать неопределенно продолжительное время, поскольку альтернативы ему в обозримой перспективе не предвидится. В то же время полученный Дж. Аспдиным цемент имеет мало общего с привычным для нас вяжущим, ввиду неясного соотношения исходных компонентов (известняка и глины) и низкой температуры обжига, составляющей около 900—1100 °С. В связи с этим его «портландцемент» справедливее отнести к сильно гидравлической извести или романце- менту. В 1825 г. Дж. Аспдин основал заводское производство своего «портландцемента», управление которым впоследствии перешло к его сыновьям.

Несомненный прорыв в технологии цементов — опубликованная в 1825 г. работа Егора Герасимовича Челиева (1771 — около 1847) «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент...». В отличие от Дж. Аспдина, Е. Г. Челиев дает вполне конкретное соотношение сырьевых компонентов (около 1 : 1) и более рациональный режим обжига («до белого каления»), что соответствует температурному интервалу 1100—1200 °С. Эти, на первый взгляд, малозначимые отличительные признаки позволили, тем не менее, получить принципиально новое вяжущее. При рекомендованных температурах обжига происходят твердофазовые химические преобразования кремнезема с оксидом кальция и появление низкоосновных цементных минералов (силикатов, алюминатов, алюмоферритов кальция), придающих цементу несравненно более ценные практические физико-технические свойства. Таким образом, вклад Е. Г. Челиева — бесспорный шаг вперед на пути перехода от гидравлической извести и романцемента к подлинному портландцементу.

Отметим, что Дж. Аспдин, Е. Г. Челиев и многие другие экспериментаторы по сложившейся традиции и чисто техническим причинам (отсутствии соответствующих тепловых и помольных аппаратов), а также из опасения ухудшения свойств цемента не доводили обжиг известково-глинистого сырья до спекания, а случайно получаемые спекшиеся куски считали браком и отсеивали. Действительно, при высокотемпературном обжиге значительно увеличивается твердость получаемого продукта, повышаются затраты на его помол, ухудшается однородность и дисперсность порошка, характеризующегося к тому же замедленным «схватыванием». На то обстоятельство, что находимые иногда в печи пережженные куски дают при помоле хотя и медленно твердеющий, но значительно более прочный цемент обратил внимание Исаак Чарльз Джонсон, которого с полным на то основанием можно считать основоположником современного цементного производства. И. Ч. Джонсон определил рациональное соотношение глины и известняка, режим обжига сырья, усовершенствовал конструкцию промышленных печей, дымовых труб и помольных агрегатов. В частности, уже в 1901 г. его цементный завод был оснащен необычными по тем временам вращающимися печами и оставался в эксплуатации около шести десятилетий после кончины исследователя.

На стыке XIX—XX вв. появляется ряд зарубежных и отечественных исследований по совершенствованию технологии производства цемента и цементных бетонов. В этом отношении следует отметить работы Р. Фере (Франция), О. Графа (Германия), И. Боломе (Швейцария), Д. Абрамса (США). Основоположниками отечественного бетоноведе- ния вполне заслуженно можно считать профессоров А. Р. Шуляченко, Н. А. Белелюбского, И. Г. Малюгу, Н. Н. Лямина. В своих многочисленных научных трудах «отец русского цемента» Алексей Романович Шуляченко способствовал развитию исключительно российского цементного производства, пропагандировал широкое применение смешанных вяжущих, изучал коррозионную стойкость бетонов в условиях морского воздействия. Совместно с Иваном Григорьевичем Малюгой впервые разработал нормативную базу портландцементов и его разновидностей, был основателем и первым редактором специализированного журнала «Цемент, его производство и применение». По его инициативе в 1885 году состоялось первое совещание русских цементных заводчиков и техников, которое со временем преобразовалось в периодические съезды отечественных цементников, а затем в международные конференции, симпозиумы и конгрессы по химии и технологии цементов.

Николай Аполлонович Белелюбский — автор нормированных методов испытания строительных материалов (цемента, бетонов, металлов), технических условий на железобетонные работы, основатель исследовательской лаборатории в Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта. И. Г. Малюга впервые установил взаимосвязь прочности (крепости) бетона от ряда технологических факторов (величины исходного водосодержания, качества заполнителей, состава и степени уплотнения бетонной смеси), оптимизировал расход воды в растворах и бетонах, много ценного внес в методику испытания строительных материалов. К заслугам Николая Николаевича Лямина следует отнести ряд теоретических позиций, касающихся механизма твердения портландцемента (например, выделение свободной извести при гидратации цементных минералов и усиление этого процесса во времени), действия на твердение и свойства бетонов минеральных солей, широкого использования в технологии хлористого кальция как средства интенсификации твердения и повышения водонепроницаемости бетонов. Этот ученый был активным сторонником популяризации портландцемента, пропагандировал широкое производственное использование прогрессивных технических решений, в том числе, вращающихся обжиговых печей.

Со второй половины XIX столетия Англия стала терять свои лидирующие позиции в производстве и реализации портландцемента. Цементные заводы стали появляться во многих странах, в том числе и в России. Первый завод по производству цемента с годовой мощностью около четырех тыс. тонн был построен (по данным Н. А. Белелюбского) в 1856 г. в г. Гродзеце Петроксковской губернии. В 1875 году функционировало уже четыре завода: в Риге (1866), Щурове (1870), Пунане-Кунда (1871), Подольске (1874), а к началу первой мировой войны их число достигло шестидесяти. Огромную роль в столь бурном развитии отечественной цементной и строительной индустрии сыграли как упомянутые, так и многие другие русские ученые и практики.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>