Строительные минеральные вяжущие материалы

Л.И.ДВОРКИН,О.Л.ДВОРКИН
СТРОИТЕЛЬНЫЕ
МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ
МАТЕРИАЛЫ
Учебно-пра±тичес±оепособие
Инфра-Инженерия
Мос³ва
2011

Справочни³’еоло’анефте’азоразвед³и:нефте’азопромысловая’еоло’ияи’идро’еоло’ия
УДК666.031
ББК38.626.1
Д24
Рецензенты:до³тортехничес³ихнаÀ³,профессорКалашни±овВ.И.
(Пензенс³ий’осÀдарственныйÀниверситетархите³тÀрыистроительства);
до³тортехничес³ихнаÀ³,профессорДеревян±оВ.Н.(Приднепровс³ая
’осÀдарственнаяа³адемиястроительстваиархите³тÀры,’.Днепропетровс³).
Двор³инЛ.И.,Двор³инО.Л.
Д24
СтроительныеминеральныевяжÀщиематериалы.-Мос³ва:
Инфра-Инженерия,2011.-544с.
ISBN978-5-9729-0035-0
Изла’аются основы техноло’ии, свойства и применение основных
минеральныхвяжÀщихматериалов,применяемыхвстроительстве.РассмотреныпÀтире’ÀлированиясвойстввяжÀщихматериалов,основные
направленияповышенияихдол’овечностииэффе³тивностивбетонах
ирастворах,строительных³онстрÀ³цияхиизделиях.Освещаютсятеоретичес³иепредставленияопроцессахполÀченияитверденияминеральных вяжÀщих материалов, формирования их стрÀ³тÀры и строительнотехничес³ихсвойств.
Приведены действÀющие нормативные данные, ре’ламентирÀющие
техничес³иетребования³минеральнымвяжÀщимматериалам.
ПособиепредназначенодлястÀдентовстроительно-техноло’ичес³их
истроительныхспециальностейÀниверситетов,пра³тичес³ихработни³овстроительныхор’анизацийипредприятий.
©Двор³инЛ.И.,Двор³инО.Л.,авторы,2011
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2011
2
ISBN978-5-9729-0035-0

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Предисловие…………………………………………………….. 5 
1. Введение..................................................................................... 7 
1.1. Краткий исторический очерк развития  
производства вяжущих материалов…………………………….. 7 
1.2. Природа вяжущих свойств материалов…………………… 20 
1.3. Классификация вяжущих материалов……………………... 25 
2. Гипсовые вяжущие материалы……………………………. 27 
2.1. Общие сведения……………………………………………... 27 
2.2. Сырьевые материалы……………………………………….. 29 
2.3. Дегидратация двуводного гипса.  
Модификации сульфата кальция……………………………….. 33 
2.4. Производство гипсовых вяжущих  
из природного сырья……………………………………………. 35 
2.5. Производство гипсовых вяжущих  
из гипсосодержащих отходов…………………………………... 51 
2.6. Твердение гипсовых вяжущих……………………………... 62 
2.7. Свойства гипсовых вяжущих материалов 
и их применение…………………………………………………. 66 
3. Строительная известь………………………………………. 91 
3.1. Общие сведения……………………………………………... 91 
3.2. Карбонатные породы……………………………………….. 94 
3.3. Физико-химические процессы при  
получении и гашении извести…………………………………... 98 
3.4. Производство извести………………………………………. 111 
3.5. Свойства извести и ее применение………………………… 118 
4. Известесодержащие вяжущие материалы.  
Романцемент…………………………………………………….. 126 
4.1. Общие сведения……………………………………………... 126 
4.2. Кремнеземистые компоненты……………………………… 129 
4.3. Особенности автоклавного твердения…………………….. 136 
4.4. Свойства известесодержащих вяжущих  
и их применение…………………………………………………. 139 
4.5. Романцемент………………………………………………… 149 
5. Портландцемент. Состав и структура  
клинкера. Основы технологии……………………………….. 151 
5.1. Общие сведения……………………………………………... 151 
5.2. Портландцементный клинкер……………………………… 155 
5.3. Основы технологии производства портландцемента…….. 168 
6. Твердение портландцемента……………………………….. 214 
6.1. Общие сведения…………………………………………….. 214 
 
3 

Строительные минеральные вяжущие материалы 
6.2. Процессы гидратации цемента…………………………….. 217 
6.3. Образование цементного камня……………………………. 224 
6.4. Влияния добавок на процессы твердения цемента……….. 235 
7. Свойства портландцемента………………………………… 246 
7.1. Общие сведения……………………………………………... 246 
7.2. Свойства портландцемента………………………………… 249 
8. Коррозионная стойкость цементного камня  
и материалов на его основе…………………………………… 311 
8.1. Общие сведения……………………………………………... 311 
8.2. Стойкость к температурно-влажностным  
воздействиям……………………………………………………... 313 
8.3. Проницаемость по отношению к газам и жидкостям…….. 329 
8.4. Стойкость к химической коррозии………………………… 335 
9. Разновидности портландцемента………………………….. 350 
9.1. Общие сведения……………………………………………... 350 
9.2. Портландцементы общестроительного назначения……… 351 
9.3. Цементы специального назначения………………………... 383 
10. Шлаковые вяжущие……………………………………….. 418 
10.1. Общие сведения……………………………………………. 418 
10.2. Состав шлаков и их гидравлическая активность………... 423 
10.3. Шлакопортландцемент……………………………………. 431 
10.4. Бесклинкерные шлаковые вяжущие материалы………… 437 
11. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы………. 452 
11.1. Общие сведения……………………………………………. 452 
11.2. Глиноземистые цементы…………………………………. 453 
11.3. Вяжущие на основе глиноземистого цемента…………… 466 
11.4. Сульфоалюминатные цементы…………………………… 470 
12. Важущие материалы с солевыми  
и кислотными отвердителями………………………………... 473 
12.1. Общие сведения……………………………………………. 473 
12.2. Магнезиальные вяжущие материалы 
476 
12.3. Растворимое и жидкое стекло.  
Кислотоупорные цементы……………………………………... 
487 
12.4. Фосфатные цементы………………………………………. 498 
13. Цементно-полимерные системы.  
Сухие строительные смеси……………………………………. 506 
13.1. Общие сведения……………………………………………. 506 
13.2. Цементно-полимерные материалы……………………….. 510 
13.3. Сухие строительные смеси………………………………... 518 
Литература……………………………………………………… 532 
Предметный указатель………………………………………… 534 
 
 
4 

Памяти выдающегося  
ученого-цементника, 
профессора, доктора  
технических наук 
Юрия Михайловича Бутта  
посвящается. 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Минеральные вяжущие материалы можно отнести к группе основных или “первичных” строительных материалов. На их базе 
производятся самые массовые материалы для строительства – бетоны и растворы, железобетонные и другие строительные изделия и 
конструкции, качество которых имеет решающее значение при возведении зданий и сооружений. Имея многовековую историю, наука 
и практика производства и применения минеральных вяжущих материалов динамично развиваются, основываясь на достижениях химической и строительной технологии, фундаментальных и прикладных наук. 
На современном этапе развития различных отраслей строительства существенно возросли требования к традиционным вяжущим 
материалам, имеется необходимость в расширении их номенклатуры, производства новых видов вяжущих материалов с улучшенными и специальными строительно-техническими свойствами. В этом 
направлении в последние годы достигнут значительный прогресс. 
Существенное улучшение свойств вяжущих материалов обеспечивается с применением современной технологии высокотемпературных процессов и измельчения материалов, применения механохимической обработки и других способов физико-химической активации, использования поверхностно-активных веществ и разнообразных добавок модификаторов. 
Промышленность вяжущих материалов относится к числу наиболее материало- и энергоемких отраслей промышленности, оказывающих значительное экологическое воздействие на окружающую 
среду. Научно-технический прогресс в этой отрасли промышленного производства в значительной мере направлен на решение проблем энерго- и ресурсосбережения и экологической безопасности, 
 
5 

Строительные минеральные вяжущие материалы 
наряду с повышением производительности труда, уровня механизации, автоматизации и др. Особое значение приобретает решение 
проблемы использования в промышленности вяжущих материалов 
техногенного сырья и разнообразных промышленных отходов. В 
этом направлении в последние десятилетия накоплен большой производственный опыт, выполнены многочисленные исследования. 
В данном пособии в рамках традиционных программ для студентов строительных и строительно-технологических специальностей 
университетов излагаются основы технологии минеральных вяжущих материалов, их свойства и пути управления ими. Кратко освещаются также основные теоретические представления о процессах 
получения и твердения вяжущих материалов, формирования их 
строительно-технических свойств. 
Авторы, основываясь на современном уровне технологии и науки о вяжущих материалах, старались книгу сделать доступной и 
полезной как для студентов, так и для широкой аудитории строителей и технологов, учесть имеющий положительный опыт подготовки учебной литературы по вяжущим материалам, которую можно 
считать классической. 
Авторы благодарны рецензентам пособия: д.т.н., проф. Калашникову В.И., д.т.н., проф. Деревянко В.Н. за ценные замечания, которые были учтены при подготовке пособия к изданию. Авторы будут благодарны также всем читателям за отзывы о содержании книги и замечания. 
 
 
 
6 

 
1. ВВЕДЕНИЕ 
 
1.1. Краткий исторический очерк развития производства 
вяжущих материалов 
 
История развития строительных вяжущих материалов тесно связана с историей развития цивилизации. Первыми вяжущими материалами, которые были использованы для получения строительных 
растворов и возведения жилых зданий и культовых сооружений, 
были глина, гипс и известь. Глину, благодаря её пластическим 
свойствам и способности при высыхании приобретать определенную прочность, начали применять уже в эпоху раннего неолита - 
новокаменного века, начавшегося более 9 тыс. лет тому назад. Для 
увеличения прочности, снижения усадки и предотвращения появления трещин в глину добавляли волокнистые материалы, используя 
полученные растворы для возведения каркаса зданий и его обмазки. 
В V и  ІV вв до н.э. в Египте начали изготавливать сырцовый глиняный кирпич, использовать его для возведения жилых домов, 
гробниц фараонов, крепостных стен. Остатки глинобитных сооружений, построенных много веков назад, сохранились до нашего 
времени. Небольшие глинобитные помещения из самана – безобжигового камня, получаемого из смеси пластичной жирной глины с 
добавками соломы и других волокнистых материалов, и в настоящее время возводятся в безлесных районах Европы и Азии. Глина 
не требует обжига, однако обладает сравнительно невысокой прочностью, неводостойкая и как вяжущий материал промышленного 
изготовления в настоящее время утратила свое значение. 
В отличие от глины гипс и известь, которые также начали применяться в глубокой древности, не только сохранили, но по ряду 
направлений упрочили свои позиции в строительстве. 
Гипсовый камень для перевода в вяжущее требует сравнительно 
невысокой температуры (140…1800С). Получение гипсовых вяжущих было возможно уже в простейших печах, чем воспользовались 
египтяне. В древнем Египте топливо было дорогим и дефицитным. 
Для получения кладочных и штукатурных растворов в Египте гипс 
начали применять 5 тыс. лет тому назад. С помощью гипсового раствора закреплено гигантское скульптурное изображение Большого 
 
7 

Строительные минеральные вяжущие материалы 
Рис. 1.1. Большой сфинкс  
и пирамида Хеопса 
сфинкса – фараона с туловищем льва – возведенного рядом с пирамидой Хеопса (рис.1.1). 
Известь впервые начали широко применять на о. Крит, затем в 
Греции. Она получила 
широкое 
распространение в Римской империи. Римляне достигли 
не только больших успехов в технологии получения извести и известковых 
растворов, 
но и оставили трактаты 
об искусстве их получения. В своем знаменитом трактате «Десять книг об архитектуре» римский архитектор и 
инженер Марк Витрувий Поллион писал «Известняк, обожженный 
в печи, теряет под действием сильной жары свою прежнюю прочность; его сцепление ослабевает, поры остаются открытыми и неактивными. Вследствие этого влага и воздух, находившиеся в теле 
камня, улетучиваются, а тепло частично остается. Погруженное в 
воду до того, как рассеялось его тепло, это вещество приобретает 
прочность, благодаря проникновению воды во все поры, кипит и 
выделяет пузырьки газа, пока не потеряет все тепло. Открытые поры известняка легко воспринимают в себя примешиваемый песок и 
сцепляются с ним; при высыхании образуется плотный камень». 
Более двух тысяч лет назад (в 160 г. до нашей эры) римский консул Марк Порций Катон Старший внес в свою книгу, посвященную 
строительному искусству, такой совет обжигальщику извести:         
“Камень в печь клади добрый, наибелейший без всякой пестрины”. 
Изучение древнеримских трактатов спустя многие столетия, когда уже была создана соответствующая научная база, способствовало развитию некоторых фундаментальных идей строительного материаловедения, например, идеи пуццоланизации цементов, растворов и бетонов с целью увеличения их водо- и коррозионной стойкости, введения органических добавок в растворы и бетоны для увеличения их пластичности и долговечности и др. 
 
8 

1. Введение 
Рис.1.2.  Пантеон в Риме 
 
Римляне не только умели изготавливать высококачественные известковые растворы для надземной кладки. Смешивая известь с 
вулканическим туфом, добываемым возле городка Путеолы, они 
получали водостойкие растворы и бетоны для гидротехнических 
сооружений. Эти сооружения сбереглись через многие столетия, 
убедительно показав высокую долговечность римских растворов. 
Все активные минеральные добавки, близкие по свойствам к вулканическому туфу, получили название по имени города Путеолы (современное название - Поццуоли) пуццолан. 
С помощью известковых растворов и бетонов римляне возвели 
многие фундаментальные 
сооружения, сохранившиеся до настоящего времени, в т.ч. Пантеон в Риме 
(рис. 1.2.). 
Интересно, что термин 
"цемент" римляне вначале применяли для обозначения таких материалов, которые сейчас носят название искусственных пуццолан. В дальнейшем этот термин служил для определения растворов. Так, в таком авторитетном средневековом труде, как книга Бартоломея Англикуса "О свойствах вещей" говорится: "Известь…это обожженный камень; при смешивании ее с песком и водой получается цемент". Термин "раствор" начал применяться примерно с конца ХІІІ века. 
Известно, что средневековье характеризовалось определенным 
снижением уровня строительных технологий, качества применяемых материалов. 
Вместе с тем начиная с X-ХІ вв. качество извести постепенно 
улучшается и вновь начинают применяться высококачественные 
известковые растворы. 
Из кирпича и камней на известковом растворе возведены исторические памятники Киевской Руси ХІ  в. – Софийский собор и Золотые ворота (рис. 1.3). 
 
9 

Строительные минеральные вяжущие материалы 
Рис. 1.3. Софийский собор (г.Киев) 
В России известковые растворы широко применяли при возведении городских стен, башен, церквей и т.п. В ХІІ в. при строительстве церкви в с.Кидекше близ Суздаля была применена известь с добавкой цемянки, т.е. толченого кирпича, что повышало прочность и водостойкость растворов. Стены московского Кремля 
были сложены в 1485 … 
1495 гг. также на известковом растворе. 
При строительстве Ладожского канала в 1728 … 
1729 гг. использовано водостойкое известковое вяжущее, изготовленное на 
заводе в Конорском уезде Петербургской губернии. 
С общим подъемом строительства во второй половине ХVІІІ в. 
связано и  начало интенсивных исследований по получению новых 
эффективных строительных материалов, систематизации имеющегося эмпирического опыта по получению и применению традиционных материалов. В этот период были изобретены и начали применяться для получения водостойких растворов и бетонов гидравлическая известь и романцемент, а несколько позже в начале ХІХ в. 
– портландцемент. 
Гидравлическая известь изобретена Джоном Смитоном (1793 г.) 
в связи с необходимостью строительства маяка на Эддистонской 
скале. Решение о строительстве маяка было принято еще в 1756 г. В 
результате обширных экспериментальных исследований Смитоном 
установлена была возможность получения извести, медленно твердеющей в воде, из известняков с повышенным содержанием глинистых примесей. Для строительства маяка Смитон выбрал раствор на 
основе гидравлической извести и добавки пуццоланы. Результаты 
своих исследований Смитон описал в написанной им книге. Однако 
гидравлическая известь еще долгое время не находила широкого 
применения и строители для водостойких растворов предпочитали 
смесь извести воздушного твердения и пуццоланы. 
 
10