 Цемент не является природным материалом. Его изготовление –
процесс дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того – на выходе
получают один из самых популярных строительных материалов, который используется
как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других
строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы,
как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для
производства цемента.
Производство цемента включает две ступени: первая –
получение клинкера, вторая – доведение клинкера до порошкообразного состояния с
добавлением к нему гипса или других добавок. Первый этап самый дорогостоящий,
именно на него приходится 70% себестоимости цемента. А происходит это следующим
образом: первая стадия – это добыча сырьевых материалов. Разработка
известняковых месторождений ведется обычно сносом, т. е. часть горы «сносят
вниз», открывая тем самым слой желтовато-зеленого известняка, который
используется для производства цемента. Этот слой находится, как правило, на
глубине до 10 м
(до этой глубины он встречается четыре раза), и по толщине достигает 0,7 м. Затем этот материал
отправляется по транспортеру на измельчение до кусков равных 10 см в диаметре. После этого
известняк подсушивается, и идет процесс помола и смешивания его с другими
компонентами. Далее эта сырьевая смесь подвергается обжигу. Так получают
клинкер. Вторая стадия тоже состоит из нескольких этапов. Это: дробление
клинкера, сушка минеральных добавок, дробление гипсового камня, помол клинкера
совместно с гипсом и активными минеральными добавками. Однако надо учитывать,
что сырьевой материал не бывает всегда одинаковым, да и физико-технические
характеристики (такие как прочность, влажность и т. д.) у сырья различные.
Поэтому для каждого вида сырья был разработан свой способ производства. К тому
же это помогает обеспечить хороший однородный помол и полное перемешивание
компонентов. В цементной промышленности используют три способа производства, в
основе которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого
материала: мокрый, сухой и комбинированный.
Мокрый способ производства используют при изготовлении
цемента из мела (карбонатный компонент), глины (силикатный компонент) и
железосодержащих добавок (конверторный шлам, железистый продукт, пиритные
огарки). Влажность глины при этом не должна превышать 20%, а влажность мела -
29%. Мокрым этот способ назван потому, что измельчение сырьевой смеси
производится в водной среде, на выходе получается шихта в виде водной суспензии
- шлама влажностью 30 - 50%. Далее шлам поступает в печь для обжига, диаметр
которой достигает 7 м,
а длина - 200 м
и более. При обжиге из сырья выделяются углекислоты. После этого
шарики-клинкеры, которые образуются на выходе из печи, растирают в тонкий
порошок, который и является цементом.
Сухой способ заключается в том, что сырьевые материалы перед
помолом или в его процессе высушиваются. И сырьевая шихта выходит в виде
тонкоизмельченного сухого порошка.
Комбинированный способ, как уже следует из названия,
предполагает использование и сухого и мокрого способа. Комбинированный способ
имеет две разновидности. Первая предполагает, что сырьевую смесь готовят по
мокрому способу в виде шлама, потом её обезвоживают на фильтрах до влажности 16
- 18% и отправляют в печи для обжига в виде полусухой массы. Второй вариант
приготовления является прямо противоположным первому: сначала используют сухой
способ для изготовления сырьевой смеси, а затем, добавляя 10 -14% воды,
гранулируют, размер гранул составляет 10 - 15 мм и подают на обжиг.
Для каждого способа используется определенный вид
оборудования и строго определенная последовательность операций.
Из этого описания следует то, что производство современного
цемента не могло быть под силу древним строителям пирамид. Требовались
камнедробильные машины, мельницы и огромные печи для обжига. Египтяне
использовали некое иное вяжущее.
И сегодня применяются иные вяжущие вещества, такие как
глина, известь, алебастр…
В глубокой древности первые каменные строения складывали
насухо из больших часто неотесанных камней, плотно пригонявшихся друг к другу.
Однако такие постройки были непрочными.
Примерно 5-7 тысяч лет назад для связывания отдельных камней
стали применять вяжущие вещества, первыми из которых были гипс и известь.
Вяжущими веществами называются порошкообразные материалы,
которые при смешивании с водой образуют пластичную массу, со временем
затвердевающую в прочное камневидное тело.
Первоначально полученную при обжиге в виде комьев известь
измельчали путем её гашения водой.
Так как соединение комовой извести с водой (гашение)
сопровождается выделением тепла, вызывающего быстрый нагрев и кипение воды, то комовая
известь получила название "кипелки". В настоящее время комовую
известь-кипелку измельчают также в машинах (дробилках мельницах).
В Древнем Риме потребности строительной технологии вызвали
широкое производство извести для применения её в кладочных и штукатурных
растворах. Этому способствовало открытие важного свойства извести – способности
в смеси с тонкоизмельченными добавками продуктов вулканических извержений (туф,
пемза, пепел) или недообожженного глиняного кирпича затвердевать не только в
воздушно-сухих условиях, но и в воде.
Добавки обеспечивающие водостойкость вяжущего, получили
название гидравлических.
В России первый завод, изготовляющий известковое вяжущее с
гидравлическими добавками в виде толченого кирпича (цемянки), был построен в
Москве в конце XVII в.
В начале XVIII в. было получено новое ценное вяжущее –
гидравлическая известь. Было замечено, что известняки содержащие глинистые
примеси, после обжига и тонкого измельчения медленно гасятся и приобретают
способность затвердевать в воде.
Гидравлическую известь стали применять для кладки
фундаментов зданий, подземных и гидротехнических сооружений. Это привело к еще
более значительному расширению производства извести.
На первом этапе, длившемся в ряде стран до начала XX в.,
технология обжига извести была весьма примитивной.
Собранные или добытые в карьере вручную куски известняка
подвергались естественной сушке в кучах с последующим обжигом в напольных или
камерных печах.
Напольная печь представляет собой сложенные в кучу
чередующиеся слои каменного угля и известняка. Снаружи кучу обкладывают
крупными кусками известняка и обмазывают глиной. Под кучей устраивают очаг, в
который кладут дрова.
Часто напольные печи устраивали так, что тремя стенами их
служил пласт известняка, а четвертую (фасадную) выкладывали из кусков
известняка на глиняном или известковом растворе. Время обжига известняка в
напольной печи длилось до двух недель.
Выгрузка печи производилась вручную и продукция подвергалась
тщательной ручной сортировке, так как брак ("недожог" извести)
доходил до 35% общего количества извести в напольной печи. Расход топлива при
этом доходил до 800 кг.
Вследствие применения тяжелого ручного труда стоимость продукции была высокой.
Для производства извести используют природные
кальциево-магниевые горные породы, состоящие из карбоната кальция, карбоната
магния и примесей в виде песка и глины. При нагревании в печи
кальциево-магниевых пород до температуры 800-1000° С они разлагаются на смесь
окислов кальция, магния и углекислый газ.
Продукт обжига, помимо чистых окислов, всегда содержит
некоторое количество других веществ, а также их соединений с СаО и носит
название извести.
По назначению в народном хозяйстве известь разделяют на
строительную и технологическую. Первая используется для строительства, вторая -
в технологических процессах, например, для получения силикатного кирпича,
силикатных бетонов, при выплавке стали и др.
По условиям твердения строительная известь подразделяется на
воздушную, твердеющую только в воздушно-сухой среде, и гидравлическую,
способную твердеть, наращивать прочность и сохранять ее как на воздухе, так и в
воде.
Строительная воздушная известь
По виду основного окисла строительная воздушная известь
подразделяется на кальциевую, магнезиальную и доломитовую.
Кальциевая известь содержит 70-90% СаО и в пределах 5% MgO,
что достигается применением для обжига (в печах любого типа) чистых кальциевых
известняков с низким содержанием MgCО3.
Магнезиальная известь содержит до 20% MgO, а доломитовая до
40%- Магнезиальную и доломитовую известь получают обжигом чистых известняков в
печах, обеспечивающих получение MgO в активной форме, т. е. способную гаситься
водой в обычные сроки.
Изготовление извести и её применении в качестве вяжущего
вещества представляется достаточно доступным и для древних строителей пирамид.
Алебастр (от греч. ἀλάβαστρος) — название
двух различных минералов: гипса (диаквасульфата кальция) и кальцита (карбонат
кальция). Первый — алебастр (алавастор), которым мы пользуемся в наши дни; второе
— по большей части название материала в античности.
Эти два вида значительно отличаются друг от друга по
относительной твёрдости. Гипс настолько мягок, что может быть поцарапан ногтём
(твёрдость 1,5 — 2), в то время как кальцит достаточно твёрд (твёрдость 3),
однако может быть легко поцарапан ножом. Кроме того, кальцитовый алебастр,
будучи карбонатом, бурно реагирует с соляной кислотой, в то время как
гипсовый алебастр в этом случае остаётся инертным.
Кальцитовый алебастр упоминается в Библии, где он обычно
называется Восточный алебастр, так как изделия из него в то время привозились
с Дальнего Востока. Греческое название alabastrites, предполагалось,
произошло от названия города Алебастрон
в Египте, где камень добывался, однако местонахождение города должно было
происходить от названия минерала, а не наоборот; в связи с этим происхождение
названия осталось неясным, и существует предположение, что оно
имеет арабские корни. Этот «Восточный» алебастр высоко ценился, из
него делалась маленькие сосуды для парфюмерных изделий и вазы для мазей,
которые назывались alabastra, что также могло быть источником происхождения
названия.
Рис. 1 Современный светильник из
итальянского алебастра. (Белого и коричневого)
Алебастр также использовали в Египте для изготовления
погребальных сосудов и различных культовых и погребальных изделий.
Роскошный саркофаг, изготовленный из цельного блока кальцитового алебастра
из Алебастронат, находится в Музее Соана в Лондоне. Он был
обнаружен Джованни Бельцони в 1817 году в могиле Сети
I около Фив. Саркофаг был приобретён сэром Джоном Соаном,
изначально для Британского музея.
Нарезанный тонкими листами, алебастр достаточно прозрачен,
чтобы использовать для небольших окон, в этом качестве он использовался в
средневековых церквях, особенно в Италии. Большие алебастровые листы
используются также в Кафедральном соборе Лос Анжелеса (освящён в 2002). В
соборе обеспечивается специальное охлаждение с целью избежания перегрева
алебастровых листов, при котором они становятся непрозрачными.
Кальцитовый алебастр является материалом
сталагмитовых отложений на полу и стенах известняковых пещер, или видом
травертина, который образуется потоками известковой воды. Его смещение в
смежных слоях приводит к проявлению ленточного рисунка, который можно увидеть
при распиле мрамора, часто этот камень называется оникс-мрамор или
алебастр-оникс, а иногда просто оникс — этот термин, тем не менее,
является неверным, так как оникс — разновидность кварца. Месторождения
египетского алебастра активно разрабатывались около Суэца и Асьюта; много
древних карьеров обнаружено в пустыне Телль эль-Амарна. Алжирский оникс-мрамор
добывался в провинции Оран. В Мексике известные месторождения тонкого зелёного
алебастра находятся недалеко от города Пуэбла. Месторождения оникс-мрамора
находятся также в районе Техуакан, а также в штатах Калифорния, Аризона,
Юта, Колорадо и Виргиния.
В наши дни, если термин «алебастр» используется без
уточнения, это всегда означает, что это гипсовый алебастр. Этот минерал
добывается во многих странах мира. Тысячи изделий из гипсового алебастра,
датированные концом 4-го тысячелетия до н.э. были обнаружены в Телл Браке
(сегодня Нагар), в Сирии. Найденная в Месопотамии, статуэтка из гипсового
алебастра, предположительно изображающая бога Абу, датируется первой половиной
3-го тысячелетия до н. э.
Сегодня гипсовый камень (алебастр), это в основном сырье для
производства гипса – порошкообразного вяжущего материала, получаемого путём
термической обработки природного двухводного гипса CaSO4*2H2O при температуре
150—180 градусов в аппаратах, сообщающихся с атмосферой, до превращения его в
полуводный гипс CaSO4*0,5H2O – гипс β-модификации. Продукт измельчения гипса
β-модификации в тонкий порошок до или после обработки называется строительным
гипсом или алебастром, при более тонком помоле получают формовочный гипс
или, при использовании сырья повышенной чистоты, медицинский гипс. При
низкотемпературной (95-100 °C)
тепловой обработке в герметически закрытых аппаратах образуется гипс
α-модификации, продукт измельчения которого называется высокопрочным гипсом. В
смеси с водой гипсовый порошок быстро твердеет (20...60 мин.), превращаясь
снова в двуводный гипс, с выделением тепла и незначительным увеличением объема,
однако такой вторичный гипсовый камень имеет уже равномерную
мелкокристаллическую структуру, цвет различных оттенков белого (в зависимости
от сырья), непрозрачный и микропористый. Эти свойства гипса находят применение
в различных сферах деятельности человека.
«Чёрный Алебастр» является редкой формой минерала на основе
гипса, найденной только в трёх местах в мире, в
Оклахоме (США), Италии, и Китае.
Недалеко от города Freedom, Oklahoma находится массив
естественных гипсовых пещер, в которых большая часть гипса находится в форме
алебастра. На этом участке обнаружено несколько типов алебастра, в том числе
розовый, белый, и редкий чёрный алебастр.
С древнейших времен алебастр привлекал человека красотой и
легкостью в обработке. Из него вырезали скульптуру и сосуды различного
назначения, а тонкие пластины прозрачного и бесцветного кристаллического гипса
использовали для остекления окон. Так же теряется во тьме веков момент, когда
из него научились получать твердеющий в смеси с водой порошок, называвшийся
также «алебастр». Известно, что не только древние греки, римляне и египтяне
владели этой технологией, но и гораздо ранее народы Малой и Средней Азии уже
применяли его в строительстве и искусстве. И лишь недавно алебастром перестали
называть строительный гипс – ныне название «алебастр» устарело и в ГОСТах не
используется. Современный строительный гипс – это порошок белого, желтоватого,
розоватого или светло серого цвета, со значительной примесью крупной фракции
(песка), поступающий в розницу обычно в бумажных мешках весом до 40 кг. Применяется в
строительстве как воздушное вяжущее вещество для оштукатуривания стен и
потолков в зданиях с относительной влажностью не более 60 %, как основа
для изготовления специальных строительных смесей (шпаклевок, штукатурок), в
производстве гипсовых перегородочных панелей, листов сухой штукатурки,
гипсокартона, вентиляционных коробов, арболита, гипсоволокнистых и
гипсостружечных плит. При смешивании с водой строительный гипс быстро
затвердевает, снова превращаясь в гипсовый камень, что используется в
нетребовательных к прочности материала строительных, скульптурных и
архитектурных работах, а также и в медицине, куда он нередко приходит в мешках
с надписью «Медицинский». В отличие от высокопрочных гипсов, имеет укороченные
сроки схватывания из-за большого содержания крупнозернистой фракции,
выступающей как катализатор и повышенную адгезию к поверхностям, что ценно в
строительстве, однако и меньшую прочность (обычно Г-5...Г-7) и большую
пористость. Из всех гипсов это самый низкосортный и дешевый материал.
Высокопрочные и специальные гипсы, так же производимые из гипсового камня,
находят применение в скульптуре, керамическом производстве, стоматологии и
ювелирном деле, в архитектуре и технике для изготовления произведений
искусства, объемных изделий, литейных и водопоглощающих форм, скрепления и
герметизации отверстий и множества других промежуточных работ. И, несмотря на
древность материала и технологии, даже при нынешнем уровне развития
промышленности и науки достойной замены гипсу пока не найдено.
Рис. 2 Ваза из алебастра
Рис. 3 Ваза из алебастра
Рис. 4 Колонна из алебастра
Рис. 5 Статуя
Рис. 6 Статуя
Как видим из описания технологий изготовления и применения
алебастра, этот материал был вполне доступен древним строителям пирамид. Н.И. Попов
|
