История цемента

Значение слова «цемент»

Название «цемент» происходит от латинского слова «caementum», означающего осколок тёсаного камня.

История цемента и его первое применение

Известно, что древнейшим материалом, использовавшимся в качестве вяжущего, является известь. Известь получали путём обжига достаточно чистого известняка, затем добавляли воду и смешивали с песком, получая известковый раствор.

Первый бетон был применён в Римской империи. В Риме «The Castel Sant' Angelo» был построен в 138 году до н. э. В наши дни в этом сооружении камни износились, тогда как бетон по-прежнему сохраняет свои свойства.

Примеры применения цемента

Различные вяжущие использовались во многих сооружениях, символизирующих цивилизации той эпохи, таких как египетские пирамиды, Великая Китайская стена и крепости, построенные в разные времена.

Греки изготавливали раствор, смешивая вулканические туфы с острова Санторин с известью либо используя разновидность гидравлической извести, получаемую из глинистого известняка. В Египте вместо цемента применяли обожжённый нечистый гипс.

Около 2000 лет назад греки и римляне размалывали вместе с известью вулканический пепел, называвшийся «pozzolin», а ныне известный как пуццолана, и, добавляя эту смесь в песок, использовали её как раствор при кладке камней.

Несмотря на то что в прошлые века использовались различные вяжущие, те, кто занимался строительными работами, не обладали достаточными знаниями о получении используемых вяжущих и об условиях работы с ними. Например, римский учёный Гай Плиний писал, что непонятно, «почему известь, полученная при обжиге камня огнём, при соприкосновении с водой снова загорается».

В 27 году до н. э. «римская архитектура» была создана с использованием цемента в большом «Колизее» и «римских банях».

Римляне производили цемент, размалывая вулканический пепел и добавляя его к извести; заметив, что цемент способен затвердевать под водой, они использовали его при строительстве портов. Позднее эта смесь была названа «пуццолановым цементом» — по названию деревни Поццуоли близ Везувия в Риме, откуда брали вулканический пепел.

В Англии вулканический пепел размалывали и формовали в виде кирпичей и черепицы. Крупные средневековые соборы, такие как Шартрский и Реймсский во Франции, Даремский, Линкольнский и Рочестерский в Англии, были построены с использованием передовых для того времени технологий. Римляне не были осведомлены о технологиях, применявшихся тысячу лет назад.

Римляне, по всей вероятности, наблюдали за свойствами вулканического пепла и использовали этот пепел в сооружениях с различными целями. В I веке до н. э. Марк Витрувий Поллион, архитектор и инженер в Риме, изложил в своей книге под названием «Ten books of Architecture» технологию, связанную со строительством прошлого, и упомянул «бетон для того, чтобы можно было отполировать пол и получить прочное основание». В этой книге в отношении пуццоланы говорится, что смесь, состоящая из извести и щебня, придаёт зданиям прочность, а также что этот материал затвердевает и под водой.

Жители Европы отставали от римлян в отношении применения цемента. Растворы приготавливались с использованием прежде всего извести, поэтому затвердевание происходило позднее. Использование пуццоланы при приготовлении растворов было вновь открыто европейцами в Средние века.

В 1756 году Джон Смитон, которому было поручено построить Эддистонский маяк, изучил химические свойства извести и пришёл к важным выводам относительно вяжущих свойств извести. Позднее, в свете этих работ, Джозеф Паркер произвёл вяжущее, известное как «Roman Cement», «римский цемент», сырьём для которого служили известняки в окрестностях Лондона; произведённый цемент использовался при строительстве каналов и портов. В те же годы «английский цемент», произведённый англичанином Джеймсом Фростом, не получил такого распространения, как римский цемент.

С Возрождением началась новая эпоха, побудившая людей мыслить иначе, и открылись двери промышленной революции. В XVIII веке для флотов боевых кораблей Англии, служивших торговым и колониальным целям, потребовалось строить маяки. Это стало движущей силой развития цементной отрасли.

В Англии скалы Эддистон у входа в Плимутский порт постоянно создавали проблемы и представляли опасность при входе судов в порт и выходе из него. Чтобы облегчить мореплавателям задачу за счёт применения растворов, способных затвердевать под водой, строительство Эддистонского маяка высотой около 37 метров было завершено в 1757-1759 годах; при возведении этого маяка использовалась затвердевающая под водой смесь извести, глины и железного шлака. Маяк был закреплён на железных стержнях, зафиксированных свинцом в отверстиях, пробитых под водой.

В 1756 году английский инженер Джон Смитон установил, что мягкий известняк, содержащий определённую долю глины, образует наилучший цемент. Примерно 40 лет спустя Джеймс Паркер произвёл в Англии цемент из известняка с довольно высокой долей примесей. Производство цемента из глины и известняка было начато в 1813 году во Франции Луи Викатом, а в 1822 году в Англии — Джеймсом Фростом.

Вяжущее, произведённое французом Луи Викатом, использовалось в мостах и бетонных каналах. Викат исследовал способность к затвердеванию под водой гидравлической извести, вяжущих, получаемых из смеси извести и пуццоланы, а также природного цемента; он произвёл синтетическое гидравлическое вяжущее путём соединения кремнезёма, глинозёма и оксида кальция в определённых пропорциях, и его работы проложили путь к производству применяемого сегодня портландцемента. Произведённое им гидравлическое вяжущее он использовал в одной из опор моста Суйяк, строительство которого было завершено в 1822 году.

В 1824 году в Лидсе, в Англии, каменщик Джозеф Аспдин нагревал размолотые глину и известняк до тех пор, пока известняк не кальцинировался, затем вновь размалывал эту смесь; добавив воду к размолотому материалу и перемешав его, он увидел, что смесь через некоторое время затвердевает. Аспдин дал произведённому им цементу название «Portland Cement» и также получил на него патент, поскольку тот был похож на камень из каменоломен, разрабатывавшихся в районе «Isle of Portland of the British Coast» и широко использовавшийся при строительстве зданий в Англии.

Известно, что здание «Wakefield Arms», сохранившееся до наших дней рядом со станцией Кёркгейт в Англии, было построено с использованием вяжущего Джозефа Аспдина. Обжиг сырья при высоких температурах и его размол были впоследствии осуществлены в 1845 году англичанином Айзеком Джонсоном.

В 1845 году Айзек Джонсон произвёл первый современный портландцемент, обжигая смесь известняка и глины при температуре 1400 °C-1500 °C, подобно тому как это делается сегодня. Тем самым была раскрыта важность температуры в производстве цемента. При высоких температурах происходило клинкерообразование и формирование весьма реакционноспособных, более прочных компонентов цемента.

В первой половине XIX века в Америке начала возникать масштабная потребность в цементе. Через год после начала прокладки канала Эри в 1818 году инженер Канвасс Уайт установил, что материал из одной каменоломни в округе Мэдисон близ Нью-Йорка при простой обработке самопроизвольно приобретает природные гидравлические свойства. Произведённый с использованием этого материала цемент был применён при строительстве канала Эри.

В 1850 году американец Дэвид О. Сейлор получил природный цемент, размолов найденную им цементную породу после обжига в печи. Однако было установлено, что прочность природного цемента, производимого в Соединённых Штатах Америки и некоторых других странах, слабее, чем у портландцемента.

В то время как в 1850-х годах производство цемента в Европе достигло определённого уровня, в Америке оно не осуществлялось в крупных масштабах вплоть до 1870-х годов. Первый цемент был экспортирован из Европы в Америку в 1868 году, а в 1885 году экспорт вырос до 3 миллионов баррелей.

Первый цементный завод в США был основан в 1871 году Дэвидом О. Сейлором. Сейлор отбирал и смешивал различные формации из собственных карьеров, а в 1876 году Джон К. Шинн произвёл портландцемент в Филадельфии.

В Америке пригодные для производства цемента формации были найдены в Розендейле (Нью-Йорк), в Индиане, Кентукки и в долине Лихай в Пенсильвании. В 1874 году Роберт У. Лесли выдвинул идею о том, что подача материала в печь в виде окатышей снизит затраты на рабочую силу.

В 1880 году в США производилось 42 миллиона баррелей цемента в год. В следующем десятилетии объём производства составил 335 миллионов баррелей. Важнейшим фактором, обеспечившим этот рост, стали усовершенствования во вращающейся печи. Вертикальные печи, которые строили и после каждого производства опорожняли и вновь загружали, уступили место вращающимся печам, в которых было возможно непрерывное производство.

Вращающиеся печи начали в 1890-х годах вытеснять первоначальные вертикальные шахтные печи, использовавшиеся при производстве извести. Во вращающихся печах теплообмен и термическая обработка осуществлялись в более благоприятных условиях, и достигались более высокие температуры.

В 1885 году английский инженер Фредерик Рэнсом получил патент на вращающуюся печь с небольшим уклоном. В наклонных вращающихся печах, поскольку находящийся внутри материал перемещается к выходному отверстию за счёт вращения печи, производственные мощности возросли, и был получен более однородный продукт. Вследствие этого установленные вертикальные печи были заменены новыми наклонными вращающимися печами.

В конце XIX века к клинкеру стали добавлять гипс, а для помола начали применять шаровые мельницы.

В 1902 году Томас А. Эдисон установил на New Jersey Portland Cement Works в США самую длинную для того времени печь длиной 45 метров. Наряду с применением длинных печей, а также с усовершенствованиями в дробилках и помольных мельницах возросли и мощности цементных заводов.

Первым крупным инженерным применением портландцемента стал тоннель, построенный под рекой Темзой в 1928 году. Для производства портландцемента, предназначенного для этого тоннеля, в Уэйкфилде был основан завод.

Итак, вкратце; название «Portland» происходит от разновидности строительного камня, схожего с портландцементом и обнаруженного в окрестностях Портленда в Англии (Taylor 1992). Хотя неизвестно, когда был открыт портландцемент, патент на него в 1824 году получил Дж. Аспдин. Несмотря на то что свойства произведённого им портландцемента были не столь хороши, как у современного портландцемента, поскольку термическая обработка не проводилась при достаточной температуре, в литературе Дж. Аспдина следует считать человеком, изобретшим цемент.

В 1845 году Айзек Джонсон использовал те же самые сырьевые материалы, что применяются для современного портландцемента.

Производство портландцемента регулярно осуществлялось в Англии, в Суонскомбе, в 1825 году Джеймсом Фростом. Затем, в 1855 году, были основаны первые цементные заводы в Бельгии и Германии. В Соединённых Штатах Америки работы над цементом начались в 1865 году, а производство портландцемента было впервые осуществлено в 1871 году. Впоследствии начались регулярные работы над составом портландцемента, и в 1906 году применение методов термической обработки и производства было поставлено на научную основу. В 1913 году в Балтиморе, штат Мэриленд, впервые были использованы цементовозы нашего времени.

Начиная с 1926 года в различных странах было проведено множество научных исследований портландцемента, и развитие гидравлического цемента продолжилось.

В 1900-х годах применение вращающейся печи для термической обработки, шаровых мельниц для помола сырья и клинкера, а также введение в клинкер добавок, прежде всего гипса, обеспечили важные улучшения качества цемента, а со временем и производственного процесса. В результате;

в 1928 году — система Lepol компании Polysius,
в 1930 году — вертикальная валковая мельница,
в 1932 году — циклоны предварительного подогрева перед печью,
в 1937 году — колосниковый холодильник Fuller,
в 1950 году — механические классификаторы,
в 1960 году — первая система байпаса в печи,
в 1966 году — система предварительной кальцинации,
в 1970 году — высокоэффективные классификаторы,
в 1973 году в производстве цемента начали применяться системы кальцинации с использованием третичного воздуха, поступающего из холодильника.

В последующие годы в цементной отрасли были приняты новые меры, направленные прежде всего на снижение затрат за счёт использования всего тепла системы.