Історія цементу

Значення слова «цемент»

Назва «цемент» походить від латинського слова «caementum», що означає уламок тесаного каменю.

Історія цементу та його перше застосування

Відомо, що найдавнішим матеріалом, який використовували як в'яжуче, є вапно. Вапно виробляли шляхом випалювання досить чистого вапняку, потім додавали воду й змішували з піском, отримуючи вапняний розчин.

Перший бетон було застосовано в Римській імперії. У Римі «The Castel Sant' Angelo» було збудовано 138 року до н. е. Нині в цій споруді каміння зносилося, тоді як бетон досі зберігає свої властивості.

Приклади застосування цементу

Різні в'яжучі використовували в багатьох спорудах, що символізують цивілізації тієї доби, як-от єгипетські піраміди, Велика Китайська стіна та фортеці, збудовані в різні часи.

Греки виготовляли розчин, змішуючи вулканічні туфи з острова Санторині з вапном, або за допомогою різновиду гідравлічного вапна, яке отримували з глинистого вапняку. У Єгипті замість цементу використовували випалений нечистий гіпс.

Близько 2000 років тому греки та римляни розмелювали разом із вапном вулканічний попіл, що звався «pozzolin», а нині відомий як пуцолана, і, додаючи цю суміш до піску, використовували її як розчин під час кладки каміння.

Хоча в минулі віки використовували різні в'яжучі, ті, хто займався будівельними роботами, не мали достатніх знань про отримання в'яжучих, які вони застосовували, та про умови роботи з ними. Наприклад, римський учений Гай Пліній писав, що незрозуміло, «чому вапно, отримане при випалюванні каменю вогнем, під час контакту з водою знову займається».

У 27 році до н. е. «римську архітектуру» було створено з використанням цементу у великому «Колізеї» та «римських лазнях».

Римляни виробляли цемент, розмелюючи вулканічний попіл і додаючи його до вапна; помітивши, що цемент здатний тверднути під водою, вони використовували його в будівництві портів. Пізніше цю суміш було названо «пуцолановим цементом» — за назвою села Поццуолі поблизу Везувію в Римі, звідки брали вулканічний попіл.

В Англії вулканічний попіл розмелювали й формували у вигляді цегли та черепиці. Великі середньовічні собори, як-от Шартрський і Реймський у Франції, Даремський, Лінкольнський та Рочестерський в Англії, було збудовано з використанням передових на той час технологій. Римляни не були обізнані з технологіями, що застосовувалися тисячу років тому.

Римляни, найімовірніше, спостерігали за властивостями вулканічного попелу й використовували цей попіл у спорудах з різною метою. У I столітті до н. е. Марк Вітрувій Полліон, архітектор та інженер у Римі, у своїй книзі під назвою «Ten books of Architecture» розглянув технологію, пов'язану з будівництвом минулого, і згадав «бетон для того, щоб можна було відполірувати підлогу й отримати міцну основу». У цій книзі щодо пуцолани зазначено, що суміш, яка складається з вапна та щебеню, надає будівлям міцності, а також що цей матеріал твердне й під водою.

Мешканці Європи відставали від римлян щодо застосування цементу. Розчини готували, використовуючи насамперед вапно, тому тверднення відбувалося пізніше. Використання пуцолани під час приготування розчинів було знову відкрито європейцями в Середні віки.

У 1756 році Джон Смітон, якому було доручено збудувати Едістонський маяк, дослідив хімічні властивості вапна й дійшов важливих висновків щодо в'яжучих властивостей вапна. Пізніше, у світлі цих праць, Джозеф Паркер виробив в'яжуче, відоме як «Roman Cement», «римський цемент», сировиною для якого слугували вапняки в околицях Лондона; вироблений цемент використовували в будівництві каналів і портів. У ті самі роки «англійський цемент», вироблений англійцем Джеймсом Фростом, не набув такого поширення, як римський цемент.

З Відродженням почалася нова доба, що спонукала людей мислити інакше, і відчинилися двері промислової революції. У XVIII столітті для флотів бойових кораблів Англії, що слугували торговельним і колоніальним цілям, потрібно було будувати маяки. Це стало рушійною силою розвитку цементної галузі.

В Англії скелі Едістон біля входу до Плімутського порту постійно створювали проблеми та становили небезпеку під час входу суден до порту й виходу з нього. Щоб полегшити мореплавцям завдання завдяки застосуванню розчинів, здатних тверднути під водою, будівництво Едістонського маяка заввишки близько 37 метрів було завершено в 1757-1759 роках; для спорудження цього маяка використали суміш вапна, глини та залізного шлаку, що тверднула під водою. Маяк було закріплено на залізних стрижнях, зафіксованих свинцем в отворах, пробитих під водою.

У 1756 році англійський інженер Джон Смітон визначив, що м'який вапняк, який містить певну частку глини, утворює найкращий цемент. Приблизно через 40 років Джеймс Паркер виробив в Англії цемент із вапняку з досить високою часткою домішок. Виробництво цементу з глини та вапняку розпочалося 1813 року у Франції Луї Вікатом, а 1822 року в Англії — Джеймсом Фростом.

В'яжуче, вироблене французом Луї Вікатом, використовували в мостах і бетонних каналах. Вікат дослідив здатність до тверднення під водою гідравлічного вапна, в'яжучих, отримуваних із суміші вапна та пуцолани, а також природного цементу; він виробив синтетичне гідравлічне в'яжуче шляхом поєднання кремнезему, глинозему та оксиду кальцію в певних пропорціях, і його праці проклали шлях до виробництва застосовуваного нині портландцементу. Вироблене ним гідравлічне в'яжуче він використав в одній з опор моста Суйяк, будівництво якого було завершено 1822 року.

У 1824 році в Лідсі, в Англії, муляр Джозеф Аспдін нагрівав розмелені глину та вапняк доти, доки вапняк не кальцинувався, потім знову розмелював цю суміш; додавши воду до розмеленого матеріалу й перемішавши його, він побачив, що суміш через певний час твердне. Аспдін дав виробленому ним цементу назву «Portland Cement» і також отримав на нього патент, оскільки той був схожий на камінь із каменоломень, що розроблялися в районі «Isle of Portland of the British Coast» і широко використовувався в будівництві споруд в Англії.

Відомо, що будівлю «Wakefield Arms», яка збереглася донині поряд зі станцією Кіркґейт в Англії, було збудовано з використанням в'яжучого Джозефа Аспдіна. Випалювання сировини за високих температур та її розмелювання було згодом здійснено 1845 року англійцем Айзеком Джонсоном.

У 1845 році Айзек Джонсон виробив перший сучасний портландцемент, випалюючи суміш вапняку та глини за температури 1400 °C-1500 °C, подібно до того, як це роблять сьогодні. Тим самим було розкрито важливість температури у виробництві цементу. За високих температур відбувалося утворення клінкеру та формування вельми реакційноздатних, міцніших компонентів цементу.

У першій половині XIX століття в Америці почала виникати масштабна потреба в цементі. Через рік після початку прокладання каналу Ері 1818 року інженер Канвасс Вайт визначив, що матеріал одного кар'єру, розташованого в окрузі Медісон поблизу Нью-Йорка, при простій обробці самочинно набуває природних гідравлічних властивостей. Вироблений із використанням цього матеріалу цемент застосували в будівництві каналу Ері.

У 1850 році американець Девід О. Сейлор отримав природний цемент, розмоловши знайдену ним цементну породу після випалювання в печі. Проте було встановлено, що міцність природного цементу, вироблюваного в Сполучених Штатах Америки та деяких інших країнах, слабша, ніж у портландцементу.

Тоді як у 1850-х роках виробництво цементу в Європі досягло певного рівня, в Америці воно не здійснювалося у великих масштабах аж до 1870-х років. Перший цемент було експортовано з Європи до Америки 1868 року, а 1885 року експорт зріс до 3 мільйонів барелів.

Перший цементний завод у США було засновано 1871 року Девідом О. Сейлором. Сейлор добирав і змішував різні формації зі своїх власних кар'єрів, а 1876 року Джон К. Шінн виробив портландцемент у Філадельфії.

В Америці придатні для виробництва цементу формації було знайдено в Розендейлі (Нью-Йорк), в Індіані, Кентуккі та в долині Ліхай у Пенсільванії. У 1874 році Роберт В. Леслі висунув ідею про те, що подавання матеріалу до печі у вигляді котунів знизить витрати на робочу силу.

У 1880 році в США вироблялося 42 мільйони барелів цементу на рік. У наступному десятилітті обсяг виробництва становив 335 мільйонів барелів. Найважливішим чинником, що забезпечив це зростання, стали вдосконалення в обертовій печі. Вертикальні печі, які будували й після кожного виробництва спорожнювали та знову завантажували, поступилися місцем обертовим печам, у яких було можливе безперервне виробництво.

Обертові печі почали в 1890-х роках витісняти первісні вертикальні шахтні печі, що використовувалися у виробництві вапна. В обертових печах теплообмін і термічну обробку здійснювали за сприятливіших умов, і досягалися вищі температури.

У 1885 році англійський інженер Фредерік Ренсом отримав патент на обертову піч із невеликим нахилом. У похилих обертових печах, оскільки матеріал, що міститься всередині, переміщується до вихідного отвору завдяки обертанню печі, виробничі потужності зросли, і було отримано однорідніший продукт. Унаслідок цього встановлені вертикальні печі було замінено новими похилими обертовими печами.

Наприкінці XIX століття до клінкеру почали додавати гіпс, а для помелу почали застосовувати кульові млини.

У 1902 році Томас А. Едісон установив на New Jersey Portland Cement Works у США найдовшу для того часу піч завдовжки 45 метрів. Поряд із застосуванням довгих печей, а також із удосконаленнями в дробарках і помельних млинах зросли й потужності цементних заводів.

Першим великим інженерним застосуванням портландцементу став тунель, збудований під річкою Темзою 1928 року. Для виробництва портландцементу, призначеного для цього тунелю, у Вейкфілді було засновано завод.

Отже, коротко; назва «Portland» походить від різновиду будівельного каменю, схожого на портландцемент і виявленого в околицях Портленда в Англії (Taylor 1992). Хоча невідомо, коли було відкрито портландцемент, патент на нього 1824 року отримав Дж. Аспдін. Попри те що властивості виробленого ним портландцементу були не такими добрими, як у сучасного портландцементу, оскільки термічну обробку не проводили за достатньої температури, у літературі Дж. Аспдіна слід вважати людиною, яка винайшла цемент.

У 1845 році Айзек Джонсон використав ті самі сировинні матеріали, що застосовуються для сучасного портландцементу.

Виробництво портландцементу регулярно здійснювалося в Англії, у Суонскомбі, 1825 року Джеймсом Фростом. Потім, 1855 року, було засновано перші цементні заводи в Бельгії та Німеччині. У Сполучених Штатах Америки роботи над цементом розпочалися 1865 року, а виробництво портландцементу було вперше здійснено 1871 року. Згодом розпочалися регулярні роботи над складом портландцементу, і 1906 року застосування методів термічної обробки та виробництва було поставлено на наукову основу. У 1913 році в Балтиморі, штат Меріленд, уперше було використано цементовози нашого часу.

Починаючи з 1926 року, у різних країнах було проведено безліч наукових досліджень портландцементу, і розвиток гідравлічного цементу тривав.

У 1900-х роках застосування обертової печі для термічної обробки, кульових млинів для помелу сировини та клінкеру, а також додавання до клінкеру домішок, насамперед гіпсу, забезпечили важливі поліпшення якості цементу, а з часом і виробничого процесу. У результаті;

1928 року — система Lepol компанії Polysius,
1930 року — вертикальний валковий млин,
1932 року — циклони попереднього підігріву перед піччю,
1937 року — колосниковий холодильник Fuller,
1950 року — механічні класифікатори,
1960 року — перша система байпаса в печі,
1966 року — система попередньої кальцинації,
1970 року — високоефективні класифікатори,
1973 року у виробництві цементу почали застосовувати системи кальцинації з використанням третинного повітря, що надходить із холодильника.

У подальші роки в цементній галузі було вжито нових заходів, спрямованих насамперед на зниження витрат за рахунок використання всього тепла системи.