О цементе

Давно в распоряжении древних прорабов пирамид, мавзолеев и прочих циклопических построек были только строительный гипс да воздушная известь, получаемые в результате обжигания гипсового камня и известняка. На протяжении нескольких тысячелетий бетоны и растворы на их основе были единственно известными вяжущими материалами (не считая глины), а кизяк да птичьи яйца – первыми модифицирующими добавками.

Огромный купол «Всем-богам-храма» (древнего римского Пантеона: 43 метра в пролете!); растянувшаяся на 5000 км самая большая ограда в мире - Великая Китайская стена; бетонная галерея легендарного лабиринта в древнем Египте; массивные культовые сооружения индусов - все эти строительные шедевры создавались путем использования «прабабушек» и «прадедушек» современных цементов. Но, несмотря на несовершенство технологий, многие творения предков сумели каким-то образом пережить дыхание веков. Шло время, и уже другие вяжущие материалы, получаемые искусственным путем и способные при затворении (замешивании) водой превращаться в пластичную массу, отвердевая при этом не только на воздухе, но и в водной стихии, были созданы пытливыми умами человечества. В нынешнее время наиболее широкое распространение и применение в строительстве получило гидравлическое вяжущее вещество под названием «портландцемент». Он представляет собой минеральный порошок серого цвета, состоящий в основном из силикатов кальция. Крестным отцом портландцемента считается Джозеф Аспдин, каменщик из английского города Лидса, впервые получивший сей продукт, с чьей легкой руки и пошло гулять по свету это название. Объективности ради стоит отметить, что наши народные умельцы были, как всегда, и здесь впереди планеты всей – полученный ими, примерно в то же время, опыт получения вяжущих материалов был обобщен Е.Г. Челиевым в книге «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мергель или цемент, весьма прочный для подводных строений». Что весьма существенно - отечественный цемент был по качеству гораздо ближе «аглицкого» к современному портландцементу.

В настоящее время сырьевыми материалами для производства портландцемента служат известняки с высоким содержанием углекислого кальция и глинистые породы. Наилучшим же сырьем для его получения является мергель - осадочная горная порода, переходная от известняков и доломитов к глине. Именно мергель называют натуральным цементом и используют для изготовления «чистого» (без добавок) портландцемента. Производственная технология, на первый взгляд, не сложна: вначале на заводе руду дробят и размалывают в каменную муку, затем цементоведы колдуют над приготовлением сырьевой смеси, обжигают ее и получившиеся гранулы, так называемый
клинкер, снова пускают в размол. Но на самом деле простота эта кажущаяся, по рецептуре приготовления сего полуфабриката защищена не одна диссертация, ибо, варьируя состав сырьевых материалов, способы обработки и применяя различного рода добавки, можно задавать самые различные характеристики конечному продукту - бетону.

Кроме уже упоминавшегося «истинного арийца» - портландцемента и вариаций на его основе, составляющих около 65% общего объема производства в мире, - существует множество иных видов цементов. К ним относятся следующие разновидности этого строительного материала:
- белый и цветной цементы, применяемые для изготовления архитектурных композиций, декоративных элементов скульптурных и малых форм, сборных и монолитных полов;
- напрягающие цементы, которые, несмотря на пугающее название, сильно облегчают жизнь строителей и проектировщиков, позволяя перекрывать пролеты железобетонными конструкциями длиной свыше
200 метров;
- глиноземистые и безусадочные цементы для специальных целей;
- гипсовые и пуццолановые цементы, обладающие повышенной водостойкостью;
- полимерцементы.

Но вернемся к фавориту цементной отрасли - портландцементу. Он выпускается различных модификаций, то есть с различными прочностными характеристиками, при этом зависимость проста - чем выше «номинал» (показатель выдерживаемого давления) - основная характеристика, тем крепче получаемый бетон. «Номинал» характеризует способность сопротивляться внутреннему напряжению и противостоять эксплуатационному насилию: чем выше прочность, тем дольше непорочность (отсутствие пороков) каменного тела под воздействием насилия различных внешних факторов. Обозначается показатель прочности (как цемента, так и бетона) буквой «М» с цифровым значением и называется такая комбинация «маркой». Цифры показывают, какую нагрузку на 1 см» сможет вынести застывшее и набравшее крепость бетонное тело. Например, марка бетона М 150 означает, что он гарантированно выдержит нагрузку в 150 кило на каждый квадратный сантиметр.

Вот наиболее употребительные марки цементов по проектной прочности бетонов на сжатие:
- марки портландцемента (по нарастающей прочности): 400, 500,550 и 600;
- марки быстротвердеющего портландцемента: 400 и 500;
- марки шлакопортландцемента: 300,400 и 500.

При возникновении сомнений по поводу качества приобретаемого цемента или отсутствии сведений на уже купленный есть очень простой способ проверки: необходимо сжать цемент в кулаке и, если он сразу же вытечет между пальцев, значит, качество его отменное. Если же в кулаке остаются мелкие, величиной с горошину, кусочки - радоваться нечему, цемент марки «ниже средней», с пониженной прочностью и пригоден лишь в растворы для штукатурки да каменной кладки. Выбор наполнителя является также одним из самых важных факторов, определяющих качество готового продукта. Минеральный состав природных песков разнообразен и изменчив, в зависимости от того, какие виды коренных или осадочных пород подверглись выветриванию. Используемый песок должен быть чистым (без глинистых компонентов или других примесей) с относительно постоянным размером песчинок. Наполнитель с зернами остроугольной формы (например, измельченный известняк) обеспечивает хорошую густоту, тогда как наполнитель с зернами округлой формы (например, речной песок, молотые кальциты) обычно придает лучшую подвижность раствору. Наиболее плотная укладка фракций наполнителя в растворной смеси достигается при использовании песчинок разного размера - тогда более мелкие зерна заполняют пустоты между более крупными. Легкие компоненты (например, вспученный перлит или облегченный керамзит) могут содействовать более легкой укладке полученного теста и повышению его теплоизолирующих свойств. Дозировке и качеству воды тоже следует уделять особое внимание. Ее загрязнение, слишком малое или, наоборот, слишком большое количество понижает прочность бетона. Для получения нормального, так называемого жесткого бетона, в раствор добавляют 60-75% воды от массы цемента в смеси. Обычный портландцемент, в зависимости от его качества и марки, может использоваться в самых разнообразных областях.
Для большей прочности на изгиб пролетных конструкций и плит перекрытий, повышения стойкости бетонного пола к истиранию или абразивному воздействию, увеличения долголетия и прочих полезных свойств рекомендуется вводить органические связующие, так называемые полимерные добавки.

Добавки для цементов подразделяют, в зависимости от основного эффекта воздействия, на следующие виды:
- регулирующие свойства бетонных смесей (пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие, повышающие текучесть раствора, замедляющие или ускоряющие схватывание и другие);
- регулирующие скорость набирания прочности бетона и его твердость;
- повышающие морозо- и коррозионную стойкость, снижающие проницаемость бетона, водоредуцирующие, газообразующие и т.д.;
- придающие бетону специальные свойства (гидрофобизирующие, позволяющие работать с раствором на морозе и т.п.).

Суперпластификаторы в большинстве случаев представляют собой синтетические полимеры на основе меламиновой смолы или нафталинсульфокислоты и позволяют получить чрезвычайно подвижные системы при добавлении мизерного количества - 0,15-1,2% от массы цемента. Лучшие результаты по экологичности показывают меламиновые смолы. Суперпластификаторы позволяют бетонировать конструкции без «утаптывания вручную» - трамбовки, литьевым методом. Они также весьма существенно уменьшают количество воды при замесе цементного теста (понижая В/Ц - водно-цементное отношение) и тем самым значительно увеличивают прочность. Для придания дополнительной крепости можно использовать и микроармирующие компоненты, в качестве которых используются полимерные, металлические или различные целлюлозные волокна. Они позволяют получить материалы с повышенной механической прочностью на разрыв и истирание.

Качество бетона при минимальных расходах цемента (наиболее дорогостоящего компонента смеси) зависит от чистоты и количественного соотношения цемента и компонентов наполнителей. Применимо к наполнителям, это выглядит следующим образом: 30-45% песка и 70-55% гравия (по массе). Весовая доля цемента в смеси определяется из расчета желаемой прочности (марки) бетона. При этом
следует помнить, что чем выше собственная марка цемента, тем лучше его качество и, соответственно, крепче полученный бетон (при соблюдении прочих технологических условий). Если же марка цемента выше той, которая рекомендуется для данного типа бетона, то его разумно разбавить активной тонкомолотой добавкой, чтобы не расходовать деньги на излишний запас прочности (или же просто взять меньшее количество цемента). К тому же высокие концентрации цемента повышают твердость готового изделия (до известных пределов) и уменьшают эластичность, что ведет к образования трещин в силу усадочных деформаций.

Марку бетона неизвестного роду-племени можно попробовать определить, используя простые движения руки, сжимающей молоток весом в 300-400 граммов. Если удерживаемое другой рукой зубило легко проникает в бетонную плоть, то марка бетона никак не выше 70. При марке бетона от 70 до 100 – зубило можно заколотить на глубину около 5 мм. А если в результате нанесения ударов молотком по зубилу от бетона отделяются только тонкие пластинки, значит крепость его в пределах М 100 - 200. В том случае, когда все усилия нанести повреждения бетону тщетны, а зубило отскакивает от его поверхности, оставляя лишь неглубокие следы - прочность бетона превышает М 200.

Напоследок хочется согласиться с родоначальником российских университетов дедушкой Менделеевым, который называл цемент материалом будущего, и выразить уверенность, что открытие новых, уникальных качеств этого рекордсмена строительной отрасли не за горами.