Химическая технология гидравлических вяжущих материалов на основе силикатов кальция

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

Н. Н. Башкатов 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 

ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ 

НА ОСНОВЕ СИЛИКАТОВ КАЛЬЦИЯ

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 

18.03.01 — Химическая технология 

Екатеринбург 

Уральский федеральный университет 

2020 

УДК 691.545-033.2(075.8) 
ББК 38.32я73 
         Б33 

Рецензенты:
кафедра «Общая химия и технология силикатов» Южно-Российского го
сударственного политехнического университета (НПИ) имени М. И. Платова (завкафедрой проф., д-р техн. наук Е. А. Яценко);

Л. Я. Крамар, проф., д-р техн. наук (кафедра «Строительные материалы 

и изделия» Южно-Уральского государственного университета) 

Научный редактор — проф., д-р техн. наук Ф. Л. Капустин

Б33

Башкатов, Н. Н.
Химическая технология гидравлических вяжущих материалов на основе 

силикатов кальция : учеб. пособие / Н. Н. Башкатов ; Мин-во науки и высш. 
образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 244 с.

ISBN 978-5-7996-3085-0

В пособии рассмотрены способы производства гидравлических вяжущих веществ, полу
чаемых с применением термической обработки сырья. Даны их свойства и закономерности 
изменения в зависимости от различных технологических факторов, описаны основные технологии и оборудование. Приведены мероприятия по интенсификации отдельных технологических операций и улучшению качества готовой продукции.

Издание рекомендовано студентам вуза, обучающимся по направлению подготовки 18.03.01 

«Химическая технология», может быть использовано как практическое пособие работниками 
цементных заводов и предприятий по производству бетонов и железобетонных изделий.

Библиогр.: 68 назв. Табл. 19. Рис. 53. 

УДК 691.545-033.2(075.8) 
ББК 38.32я73 

_____________________________

Учебное издание

Башкатов Николай Николаевич 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ 

НА ОСНОВЕ СИЛИКАТОВ КАЛЬЦИЯ

Подписано в печать 03.09.2020. Формат 70×100 1/16. Бумага писчая. Цифровая печать. 

Усл. печ. л. 19,7. Уч.-изд. л. 13,9. Тираж 100 экз. Заказ 145.

Издательство Уральского университета 

Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5

Тел.: 8 (343) 375-48-25, 375-46-85, 374-19-41; е-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ

620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4

Тел.: 8 (343) 358-93-06, 350-58-20, 350-90-13; факс: 8 (343) 358-93-06

http://print.urfu.ru

ISBN 978-5-7996-3085-0
© Уральский федеральный университет, 2020



ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение  ...............................................................................................5

Глава 1. Гидравлическая известь ........................................................11

1.1. Сырье для производства вяжущего .........................................11
1.2. Производство гидравлической извести ..................................14
1.3. Твердение извести ...................................................................37
1.4. Свойства и применение гидравлической извести .................40
1.5. Вопросы для самоподготовки  ................................................44

Глава 2. Производство портландцемента  ...........................................45

2.1. Химический и минеральный составы  
портландцементного клинкера .....................................................48
2.2. Сырьевые материалы ..............................................................68

2.2.1. Природное кальцийсодержащее сырье  ............................69
2.2.2. Искусственное кальцийсодержащее сырье  .....................79
2.2.3. Природное алюмосиликатное сырье  ................................83
2.2.4. Искусственное алюмосиликатное сырье  .........................88
2.2.5. Корректирующие добавки  ................................................90
2.2.6. Требования к сырьевым материалам  ...............................92

2.3. Характеристика состава клинкера ..........................................94
2.4. Расчеты составов сырьевых смесей ........................................98
2.5. Способы производства портландцемента ............................ 103

2.5.1. Мокрый способ  ............................................................... 104
2.5.2. Сухой способ  ................................................................... 105
2.5.3. Полусухой способ  ........................................................... 109
2.5.4. Комбинированный способ  ............................................. 111

Оглавление

2.6. Добыча и транспортировка сырьевых материалов .............. 113
2.7. Приготовление сырьевой смеси ........................................... 119
2.8. Гомогенизация сырьевых смесей ......................................... 129
2.9. Корректировка сырьевых смесей ......................................... 134

2.9.1. Порционное корректирование  ....................................... 134
2.9.2. Поточное корректирование  ............................................ 137
2.9.3. Полупоточное корректирование  .................................... 140
2.9.4. Требования к сырьевой смеси  ........................................ 141

2.10. Обжиг клинкера ................................................................... 143

2.10.1. Подготовка и сжигание топлива  ................................... 143
2.10.2. Горелочные устройства  ................................................. 151
2.10.3. Печи для обжига клинкера  ........................................... 153
2.10.4. Запечные теплообменные устройства  .......................... 166
2.10.5. Клинкерные холодильники  .......................................... 172
2.10.6. Физико-химические основы обжига клинкера  ........... 176
2.10.7. Факторы, влияющие на процессы  
клинкерообразования  .............................................................. 189

2.11. Помол клинкера .................................................................. 198
2.12. Хранение и транспортирование цемента ........................... 207
2.13. Вопросы для самоподготовки  ............................................ 209

Глава 3. Гидратация и свойства портландцемента  ........................... 210

3.1. Гидратация цемента .............................................................. 210

3.1.1. Химические процессы  .................................................... 210
3.1.2. Физические процессы ..................................................... 217

3.2. Требования к основным материалам и классификация  
цементов ....................................................................................... 223
3.3. Физико-механические свойства портландцемента ............. 225
3.4. Стойкость портландцемента ................................................. 235
3.5. Применение портландцемента ............................................. 238
3.6. Вопросы для самоподготовки ............................................... 239

Список библиографических ссылок  .................................................. 240



Светлой памяти профессора,  

доктора технических наук

Маргариты Николаевны Кайбичевой

ВВЕДЕНИЕ 

В 

пособии рассмотрены основы производства гидравлической 
извести, технология получения которой схожа с производством строительной воздушной извести. Кроме этого, посо
бие посвящено производству портландцемента как основного вяжущего вещества на сегодняшний день.

Гидравлические вяжущие вещества впервые стали изготавливать 

и применять в Индии 2,5 тыс. лет назад. Было замечено, что использование гончарных остатков (слабообожженных керамических отходов) в качестве наполнителя известковых растворов увеличивает их 
водостойкость и прочность. Со временем стали специально добавлять 
к извести искусственную добавку — «сурок», состоящую из толченного слабообожженного кирпича или гончарных отходов [1, 2].

Рассвет городов Римской империи потребовал сооружения проч
ных и водостойких дорог, портов, каналов, высоких зданий. Для этих 
сооружений вначале также применяли смесь известковых растворов 
с толченым кирпичом, но впоследствии начали широко использовать порошкообразную породу — вулканический пепел, который отличается высокой химической активностью по отношению к извести 
благодаря своему стеклообразному состоянию. Его основным преимуществом перед обожженной керамикой является природное мелкозернистое состояние, что облегчает изготовление более прочного 
и водостойкого вяжущего. О нем впервые нашли сведения в трактате 
«10 книг об архитектуре», автор которого римский архитектор Витрувий (I в. до н. э). Это единственный дошедший до нас литературный 
труд того времени, описывающий технику строительства, производства и свойства цементов и бетонов.

Введение 

Само слово «цемент» происходит от латинского caementum и в трак
тате означает каменные материалы. Для обозначения вяжущих веществ оно впервые встречается и в латинском переводе Библии 
в 405 г., где подразумевает строительный раствор. Вплоть до XIX в. 
под «цементами» в разных странах понимали строительные растворы, гидравлические добавки к извести и непосредственно гидравлические вяжущие.

Падение Римской империи привело и к упадку строительной тех
ники, утере технологий производства высокопрочных водостойких 
цементов и бетонов, наступившие средние века ничего нового строительной технологии в области вяжущих веществ не дали. Только 
в XVIII в. с развитием строительства в Европе появляются новые вяжущие материалы. Было замечено, что при обжиге некоторых известняков на известь получается медленногасящаяся известь, растворы 
на которой твердеют во влажных условиях и дают более высокую прочность. Так появилась гидравлическая известь, которую впервые применили в 1756 г. для строительства Эддистонского маяка.

В 1786 г. англичанин Джеймс Паркер представил патент на произ
водство негасящейся извести, твердеющей под водой и требующей размола после обжига. Так как материал по цвету и свойствам был похож 
на цемент, используемый в Древнем Риме, то он получил название романцемент. Однако в Англии, в отличие от Италии, отсутствует столь 
необходимый компонент этого вяжущего как вулканический пепел, 
поэтому Паркер и другие ученые экспериментировали с обжигом известняков, загрязненных различными примесями, в первую очередь 
глинами. При этом качество получаемых вяжущих зависело от содержания и состава глин. В 1818 г. француз Луи Жозеф Вика предложил 
получать гидравлическую известь искусственным путем из известняка и глины. В 1822 г. профессор Петербургского института путей сообщения Антуан Рокур де Шарлевиль издал «Трактат об искусстве 
изготовлять хорошие строительные растворы», где приводились результаты исследований известняковых пород Петербургской губернии и три способа производства гидравлических вяжущих:

— смешиванием обожженной глины и извести — искусственный 

цемент, получаемый холодным способом;

— обжигом природной смеси известняка и глины (мергеля) — на
туральный цемент;

— обжигом смеси известняка с глиной — искусственный цемент.

Истокипроизводствацемента

В 1824 г. английский каменщик Дж. Аспдин получил патент «Усо
вершенствованный способ производства искусственного камня». 
Принципиальной особенностью предлагаемого способа производства гидравлического вяжущего являлось тонкое измельчение известняка и глины, смешивание их в определенном соотношении мокрым 
способом и обжиг высушенной смеси до полного удаления углекислоты. Продукт тонкого измельчения обожженной смеси он назвал 
«портландцементом», так как затвердевший камень по цвету и прочности напоминал природный, добываемый в каменоломнях, недалеко от города Портленд. Данное название сохранилось за гидравлическим цементом во всем мире до настоящего времени.

В 1825 г. в Москве была издана книга Е. Челиева «Полное настав
ление, как приготовить дешевый и лучший мергель или цемент, весьма прочный для подводных строений как то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных 
строений». 

В отличие от Дж. Аспдина он применял известь-пушенку, тонко
дисперсное состояние которой достигалось не механическим измельчением, а физико-химическим превращением при гашении комовой 
извести водой. В то время это был более доступный способ получения тонкодисперсного известкового материала в большом количестве. Другой существенной особенностью описываемой технологии 
была более высокая температура обжига искусственной смеси, нежели только до удаления углекислоты. Кроме того, автор рекомендовал 
для получения более качественного цемента добавлять в него гипс. 
Таким образом, разработанная Е. Челиевым технология производства 
включала фактически все основные принципы изготовления гидравлического вяжущего, на которых базируется производство современного портландцемента. Кроме того, качество получаемого материала 
было выше, чем у Дж. Аспдина.

Дальнейшее развитие технологии производства гидравлического 

цемента связано с англичанином И. Джонсоном, установившим, что 
лучшее вяжущее получается из наиболее спекшихся кусков, которые 
раньше считались браком и отбрасывались. Он указал, что смесь должна обжигаться до «весьма высокой температуры, почти до стеклования 
массы», то есть до спекания. Подобный продукт, представляющий собой почти современный портландцемент, начали выпускать в Англии 
в промышленных масштабах в 1844 г.

Введение 

Далее до ХХ в. в области технологии вяжущих материалов не было 

крупных открытий. Необходимо понимать, что существующее на тот 
момент производство основывалось не на научных данных, а на опыте, который накапливался столетиями.

После I Международного съезда химиков, на котором в 1860 г. 

выработались общие взгляды на атомно-молекулярное строение вещества, все процессы стали рассматриваться с этой точки зрения. 
В 1868 г. немецкий инженер В. Михаэлис с целью нормирования 
химического состава сырьевой смеси для производства портландцемента ввел понятие гидравлического модуля — отношения оксида 
кальция к сумме полуторных оксидов кремния, алюминия и железа. Пропорции между известняком и глиной стали назначать исходя из химического состава сырьевых материалов, а не эмпирически, 
что положило начало научному подходу к технологии производства 
портландцемента.

В 1881 г. Н. Р. Шуляченко и И. Г. Малюгой разрабатываются  первые 

в нашей стране нормативы для цемента. В 1885 г. состоялся первый 
съезд цементников России, а в 1893 г. В. Михаэлис предложил коллоидную теорию твердения портландцемента. В конце ХХ в. благодаря 
достижениям науки начинают появляться новые вяжущие вещества: 
цемент Сореля, глиноземистый цемент, а также подтверждаются вяжущие свойства быстро охлажденных стеклообразных доменных шлаков.

Развитие науки о вяжущих веществах неразрывно связано с име
нами российских и советских ученых. Н. Н. Лямин, С. И. Дружинин, 
В. А. Кинд и А. А. Байков внесли огромный вклад в выявление причин коррозии цементного камня и создание сульфатостойких цементов. А. А. Байков в 1926 г. создал топохимическую теорию твердения 
минеральных вяжущих веществ. В. Ф. Журавлев впервые предложил 
классифицировать вяжущие материалы по типу химических реакций, 
протекающих при их твердении. Он же открыл закономерности проявления вяжущих свойств у разных соединений по периодам и рядам 
таблицы Д. И. Менделеева, что позволило прогнозировать наличие 
подобных свойств у новых соединений. Наиболее важными трудами  
отечественных ученых в области изучения вяжущих являются:

— синтезирование основных минералов портландцементного 

клинкера и изучение их свойств С. Д. Окороковым и Ю. М. Буттом, что позволило производить портландцементы с заданными 
свойствами;

Наработкиотечественныхученых

— разработка В. А. Киндом методов расчета минерального соста
ва клинкеров;

— исследование твердых растворов клинкерных минералов 

и установление их состава Н. А. Тороповым, М. М. Сычевым 
и А. И. Бойковой, что дало возможность повысить активность 
цементов;

— разработка теории быстрого обжига цементного клинкера 

М. Ф. Чебуковым, И. Ф. Коряковым, В. А. Пьячевым;

— исследования по улучшению свойств портландцемента введе
нием в состав сырьевой смеси легирующих добавок Л. Д. Ершовым, М. М. Сычевым;

— обеспечение заданных свойств цемента путем изменения ми
кроструктуры клинкера в зависимости от условий обжига в промышленных печах В. В. Тимашевым и Л. Г. Судакасом;

— придание заданных свойств цементов введением при их помо
ле поверхностно-активных веществ (П. А. Ребиндер, С. В. Шестоперов, В. Г. Батраков, А. А. Пащенко);

— совершенствование технологии производства белых цементов 

(А. П. Зубехин, П. П. Гайджуров, В. А. Калабухов, Г. И. Чистяков);

— разработка технологии производства и изучение свойств суль
фоалюминатных цементов П. П. Будниковым, Т. В. Кузнецовой, 
сульфоалюминатно-сульфосиликатных цементов Т. А. Атакузиевым и сульфофферитных цементов В. В. Тимашевым и А. П. Осокиным;

— создание шлакощелочных цементов В. Д. Глуховским, И. А. Паш
ковым и П. В. Кривенко;

— совершенствование теории твердения цементов П. А. Ребинде
рем, В. В. Волженским, О. П. Мчедловым-Петросяном [2, 3].

Сегодня основные направления исследования гидравлических ма
териалов связаны с применением в технологии их производства техногенных отходов различных отраслей промышленности или с созданием новых вяжущих на их основе. Широкое применение компьютеров 
упрощает использование методов математического анализа, что позволяет осуществлять многофакторные исследования, дополняя и обогащая существующие теории синтеза, строения и свойств цементов. 
Рентгеноструктурный, дифференциально-термический анализы, ИКспектроскопия, электронная микроскопия и электронография позволяют изучать процессы кристаллообразования, структуру и строение 

Введение 

клинкерных минералов и гидратов. Все это имеет целью совершенствование технологии производства вяжущих материалов, увеличение производительности и экологичности существующих технологических линий и снижение их энергопотребления.

А. В. Волженский классифицировал гидравлические вяжущие на ги
дравлическую известь, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент [1]. При этом в данном учебном пособии не рассматриваются разновидности портландцемента, поскольку они получаются 
либо нормированием минерального состава обычного клинкера, либо 
добавлением к нему в определенном количестве соответствующих добавок. Иными словами, они производятся на основе общестроительного портландцементного клинкера.

В первой главе пособия рассмотрены сырьевые материалы, спосо
бы производства и свойства гидравлической извести, области ее применения. Во второй главе даны химический и минеральный составы 
общестроительного портландцементного клинкера, рассмотрены сырьевые материалы для его получения, представлены технологические 
схемы и основные способы производства клинкера, протекающие при 
этом основном процессе. В третьей главе рассмотрены основные свойства общестроительного портландцемента, но так как они напрямую 
зависят от процессов его гидратации, то и глава начинается с описания теории гидратации вяжущего.