Портландцемент

Портландцеме́нт (англ. portland cement — від назви острова Портленд у Великій Британії) — гідравлічна в'яжуча суміш, високоякісний цемент, який використовується для цементування свердловин. Отримують подрібненням суміші клінкеру, гіпсу і активних добавок. У складі портландцементу переважають силікати кальцію (70-85 %). Цей вид цементу найбільш широко застосовуваний у всіх країнах.

Назву дістав від однойменного острова Портленд в Англії, позаяк за кольором схожий на природний камінь, що там видобувається.

Основою портландцементу є силікати кальцію (аліт та беліт).

Хімічний склад портландцементу (без добавок), в % по масі: 62-76 % СаО, 20-23 % SiO₂, 4-7 % Al₂O₃, 2-5 % Fe₂O₃, 1-5 % MgO; мінералогічний склад, в % по масі: тверді розчини на основі 3CaO·SiO₂, або Ca₃SiO₅ (аліт, 45-65 %), 2CaO·SiO₂, або Ca₂SiO₄ (беліт, 15-30 %), алюмінат кальцію ЗСаО·Al₂О₃ (3-14 %), алюмоферат (III) кальцію 4CaO·Al₂О₃·Fe₂O₃ (10-18 %). Крім звичайного портландцементу, відомо біля 20 його різновидностей, які відрізняються мінеральним складом цементного клінкеру, домішок до нього і умовами застосування. Відомі різні за складом і призначенням види портландцементу, напр., високоміцний, швидкотверднучий, гідрофобний, тампонажний та ін., його суміші з гранульованим шлаком (шлакопортландцемент) і гірськими породами — пуцоланами — трепелом, туфом, пемзою (пуцолановий портландцемент).

Портландцемент одержують тонким подрібненням клінкеру і гіпсу. Клінкер — продукт рівномірного випалу до спікання однорідної сировинної суміші, що складається з вапняку і глини певного складу, що забезпечує переважання силікатів кальцію (3СаО∙SiO₂ і 2СаО∙SiO₂ 70-80 %).

Найпоширеніші методи виробництва портландцементу так звані «сухий» і «мокрий». Все залежить від того, яким способом змішується сировинна суміш — у вигляді водних розчинів або у вигляді сухих сумішей.

При подрібненні клінкеру вводять добавки: 1,5–3,5 % гіпсу CaSO₄∙2H₂O (у перерахунку на ангідрид сірчаної кислоти SO₃) для регулювання термінів схоплювання, до 15 % активних мінеральних добавок — для поліпшення деяких властивостей і зниження вартості цементу.

Сировиною для виробництва портландцементу служать суміші, що складаються з 75–78 % вапняку (крейди, черепашнику, вапнякового туфу, мармуру) і 22–25 % глин (глинистих сланців, суглинків), або вапнякові мергелі, використання яких спрощує технологію. Для отримання необхідного хімічного складу сировини використовують коригуючі добавки: піритні недогарки, колошниковий пил, боксити, піски, опоки, трепели.

При мокрому способі виробництва зменшується витрата електроенергії на подрібнення сировинних матеріалів, полегшується транспортування і перемішування сировинної суміші, вище гомогенність шламу і якість цементу, однак витрата палива на випал і сушіння становить на 30-40 % більше ніж при сухому способі.

Випалення сировинної суміші проводиться при температурі 1470 °C протягом 2–4 годин в довгих обертових печах (3,6×127 м, 4×150 м і 4,5×170 м) з внутрішніми теплообмінними пристроями, для спрощення синтезу необхідних мінералів цементного клінкеру. При обпіканні матеріалу відбуваються складні фізико-хімічні процеси. Обертову піч мокрого способу умовно можна поділити на зони:

• сушіння (температура матеріалу 100–200 °C — тут відбувається часткове випаровування води);
• підігріву (200–650 °  — вигорають органічні домішки і починаються процеси дегідратації і розкладання глинистого компонента). Наприклад, розкладання каолініту відбувається за такою формулою: Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O → Al₂O₃∙2SiO₂+2H₂O; далі при температурах 600–1000 °C відбувається розпад алюмосилікатів на оксиди і метапродукти.
• декарбонізації (900–1200 °C) відбувається декарбонізація вапнякового компонента: СаСО₃ → СаО + СО₂, одночасно триває розпад глинистих мінералів на оксиди. В результаті взаємодії основних (СаО, MgO) і кислотних оксидів (Al₂O₃, SiO₂) у цій же зоні починаються процеси твердофазових синтезу нових сполук (СаО∙Al₂O₃ — скорочений запис СА, який при більш високих температурах реагує з СаО і врешті жідкофазового синтезу утворюється С₃А), що протікають ступінчасто;
• екзотермічних реакцій (1200–1350 °C) завершется процес твердофазового спікання матеріалів, тут повністю завершується процес утворення таких мінералів як С₃А, С₄AF (F — Fe₂O₃) і C₂S (S — SiO₂) — 3 з 4 основних мінералів клінкеру;
• спікання (1300 → 1470 → 1300 °C) часткове плавлення матеріалу, в розплав переходять клінкерні мінерали крім C₂S, який взаємодіючи з рештою в розплаві СаО утворює мінерал аліт (С₃S);
• охолодження (1300–1000 °C) температура знижується повільно. Частина рідкої фази кристалізується з виділенням кристалів клінкерних мінералів, а частина застигає у вигляді скла.

Розпізнати даний вид цементу можна за зовнішнім виглядом — це зеленувато-сірий порошок. Як і всі цементи, якщо до нього додати воду, він при висиханні приймає каменеподібний стан і не має суттєвих відмінностей за своїм складом та фізико-хімічними властивостями від звичайного цементу.

Різновиди портландцементу:

• звичайний,
• швидкотверднучий,
• гідрофобний,
• пластифікований,
• сульфатостійкий,
• тампонажний (призначений для кріплення нафтових і газових свердловин, для капітального ремонту свердловин; Марки тампонажного цементу за міцністю на стиск 400 і 500),
• білий,
• кольоровий.

Найважливіші властивості: наростання міцності при твердінні, водостійкість і морозостійкість.

Видатний шотландський архітектор Чарльз Ренні Макінтош вибрав портландцемент, який тоді був нещодавно представлений, для будівництва Хілл Хаус. Але виявилося, що він менш міцний, ніж традиційне вапно, і до 2017 року визнали, що він знаходиться в нестабільному стані і це загрожує будинку. Як тимчасове рішення Hill House помістили в прозору пористу «коробку», дозволяючи деякий рух повітря, щоб конструкція поступово висихала.^[1][2]

• Цемент
• цемент магнезіальний,
• цемент полегшений (обважнений),
• цемент тампонажний,
• цементація,
• цементна сировина.

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.