HIDRAULISKAIS CEMENTS un TĀ RAŠANĀS VĒSTURISKIE APSTĀKĻI

1

SAISTVIELAS

Jau no neatmināmiem laikiem seno laiku būvnieki centās atrast materiālu, kas spētu savstarpēji savienot kopā akmeņus un ķieģeļus, jo bija skaidrs, ka šāds savienojums dod daudz lielākas iespējas, nekā vecā metode, kad akmens blokus rūpīgi piestrādāja vienu pie otra tā, ka varēja iztika bez sasaistes materiāla (ciklopiskie akmens salikuma mūri).

1.att. Ciklopisks akmens salikums (Grieķija, Krētas s.)

2

3

4

Lai studētu cilvēces sabiedrības vēsturisko attīstības gaitu un šī procesa atsevišķas puses par pamatu mēs uzskatām vēsturiskos informācijas avotus, pareizāk sakot, visdažādāko laiku un raksturu pieminekļus. Ar šiem jautājumiem nodarbojās informācijas avotu izpētes zinātne, kas parasti visus vēsturiskos informācijas avotus iedala trīs kategorijās: (I) Lietišķie (materiālie) avoti – sendienu javu un betonu paraugi no visdažādākajām būvēm un no dažādām tautām ; (II) Lingvistiskie avoti – specializēti termini kas ir izmainījušies dažādu tautu valodās un dažādos laikos; (III) Rakstveida (ar roku rakstītie, zīmētie un iespiestie, fotografētie) avoti – aktēti materiāli un literatūras pieminekļi visdažādākajos laikos. Tieši trešais veids ir vispopulārākais, pareizāk būtu sacīt visplašākais informācijas avots un tieši tāpēc ir nepieciešamība to sadalīt vairākās grupās, parasti to iedala:

I. Vispārēja rakstura informācijas avoti – epigrāfiskie, antīko autoru avoti, viduslaiku rakstnieku darbi, ceļotāju apraksti, epistolārie avoti, literārie darbi un memuāri.

II. Hronikas un annālesIII. Akti un dokumentāli avotiIV. Speciāli darbi

Ir saglabājušies daži senatnes epigrāfiskie (uzraksti uz tempļu, namu un triumfa arkām) avoti : 1) Faraona Amenemheta III (ap 1800 g. p. m.ē.) naudas monēta satur norādījumus, kādam ir jābūt ģipsim; 2) Uzraksts uz kapakmens freskas – vezīram Rehmiram (1580-1350 g. p.m.ē.) attēlo jēlķieģeļu ražošanas tehnoloģiju Ēģiptē; 3) Uzraksts uz akmens Pucolā (105 g.p.m.ē., Itālija) vēsta par celtniecības darbu līgumu; 4) Uz Trajana kolonnas reljefiem Romā (113 g. p.m.ē.) ir attēlots leģionārs, kas izgatavo kaļķu javu.

Rakstiski saglabājušies avoti par saistvielu izcelšanos un to attīstības vēsturi ir samēra daudzi un to iesākums sniedzās jau no antīkiem autoriem :

5

Hērodots (Hēradotos) – starp 490 un 480 gadu pirms mūsu ēras- sengrieķu vēsturnieks, „Vēstures tēvs”, dzīvoja Atēnās, Tūrijā (D-Itālija); Teofrasts (Theophrastos)- starp 372 un 287 gadu pirms mūsu ēras – sengrieķu filozofs, dabaszinātnieks, domātājs, Likeja skolarhs, botānikas un filozofijas vēstures zinātnes izveidotājs, lielu uzmanību pievērsis ģipsim ; Kalliksens – 3.gs.p.m.ē., sengrieķu filozofs; Bizantijas Filons – mehāniķis, praktiķis, kas dzīvojot aptuveni 250 gadu p.m.ē. ir atstājis rakstiskas ziņas par nocietinājumu mūriem un to izgatavošanu; Agatarhīds no Knīdas – grieķu vēsturnieks, 2.gs.p.m.ē.; Katons Vecākais – (Cato Major; pilnā vārdā Marks Porcijs Katons vecākais, Marcus Porcius Cato Major; 234-149 p.m.ē.) – Senās Romas valsts darbinieks, vēsturnieks, konsuls.; Sicīlijas Diodors – (Diodōros Sikēliōtēs – 90-21 p.m.ē.) – sengrieķu vēsturnieks; Strābons (Strabōn – 64 vai 63 p.m.ē.)- sengrieķu ģeogrāfs, vēsturnieks; Plīnijs Vecākais – [pilnā vārdā Gajs Plīnijs Sekunds, Gajus Plinius Secundus (Major); 23-79.25.VIII] – romiešu rakstnieks un enciklopēdisku rakstījumu slavens autors; Vitrūvijs – (Vitruvius; 1.gs.2 puse p.m.ē.) – romiešu arhitekts, inženieris, grāmatas „Desmit grāmatas par arhitektūru”autors (1. izd. Ap 1486. g.). Seneka- (Seneca, Lūcijs Annejs- ap 4 p.m.ē.-65 m.ē.) – romiešu filozofs, literāts, valsts darbinieks. Nerona audzinātājs. Frontins – (Frontinus, 40-103 m.ē.) romiešu inženieris; Dioskorīds – (Dioscoridēs – 1.gs.m.ē.) – grieķu botāniķis, farmakologs, Romas armijas ārsts, aprakstījis minerālas izcelsmes ārstn. Līdzekļus; Tacits – Pūblijs Kornēlijs (Publius Cornelius Tacitus; ap 58-117) romiešu vēsturnieks; Arians – (Arrianus – ap 95-175 m.ē.) – grieķu rakstnieks, vēsturnieks un ģeogrāfs; Pavsānijs – (Pausanius- 2.gs. m.ē.) – grieķu rakstnieks vēsturnieks; Afinejs – (Athenaeus, 2-3gs. m.ē.) grieķu rakstnieks; Polluks – (Pollux, ) vārdnīcas autors; Palādijs – (Palladius, 4.gs. m.ē.)- grieķu rakstnieks vēsturnieks.

Viduslaikos mēs atrodam informāciju par saistvielām rakstnieku darbos :

Stridonskis – ( Hieronimus, 340-420 m.ē.)- bībeles tulkotājs (Austrumi); Augustīns Aurēlijs – (Augustinus , 354.13. XI – 430.28.VIII) kristiešu teologs, filozofs, patristikas pārstāvis, 387 gadā pieņēma kristietību, Hiponas (Z-Āfrika) bīskaps. Radīja Augustīnisma idejas (protestanti un katoļi).; Apolinārijs Sidonijs – (Apollinarius Sidonius, 430-480 m.ē.) – gallu rakstnieks; Primaziuss – (Primasius, 6.gs. mūsu ērā ) – rakstnieks, episkops (Francija); Glenvilas Bartolomejs – ( Bartolomeus Angelicus, 13.gs. - Anglija) – enciklopēdijas autors; Teofīls no Tegernas – (Theophilos von Tegernsee, Šveice) un daudzi citi.

Ir sastopami daudzi ceļotāju, armijas pārstāvju pieraksti par celtniecības tehniku un būvsastāviem zemēs, kurās tie ir bijuši :

1) Ēbreju izcelsmes ceļotājs no Arābijas Ibragims ibn Jakubs – (965 . g. Ano Domini); 2) Ādams Oleārijs – (1634-1639), Olštinas vēstniecības biedrs - raksta par Maskavas būvniecības darbu organizāciju, 3) arhidjakons Pāvels Aļepskijs – (1655.g.) raksta par paņēmieniem ar kādiem iestrādā kaļķa javas un betonus Maskavā; 4) Johans Fīlips Kīlburgers – zviedru komercpadomnieks (1674.g.) par kaļķu kvalitāti un cenām Maskavā; 5) Karstēns Niburs – (Karsten Niebuhr, 1733-1815), franču ceļotājs-orientalists apraksta saistvielas izgatavošanu Ēģiptē.

Eksistē vēl arī epistolārie informācijas avoti ( tāds, kas uzrakstīts vēstules formā):

6

(1) Pētera I vēstules Maskavas pilsētas komendantam M.P.Gagārinam par kaļķa piegādi Pēterburgai, par saistvielas pārbaudēm. (2) Ceļu institūta profesora A.Rokur de Šarlevila sarakste ar akadēmiķi P.H.Fusu par javu sastāvu noteikšanas trūkumiem. (3) Grāmatas ar veltījumiem utt.

Vēl zināmu informāciju sniedz arī literatūras darbi un memuāri: (1) Romānā „Roman de la Rose” (1237.g.) iet runa par kaļķu javas iejaukšanu etiķī, lai palielinātu stiprību.; (2) Ralfs Ingersols savā grāmatā „Pilnīgi slepeni” (1947.g.) tēlaini apraksta mūra stiprības jautājumus, utt.

Galvenie trūkumi: (1) Fragmentāri; (2) nenovērtē jautājuma priekšvēsturi; (3) Nenovērtē austrmeiropas tautu un neeiropiešu ieguldījumu; (4) tie ir faktoloģiski; (6) trūkst vispārinājuma.

- NEOLITA LAIKMETS – zemes alas un dolmeni, pēdējie sasniedza pat 50m2 lielu platību (zeme, akmens, koks). Lai izmantotu sīkākus akmeņus par saistvielu izmantoja mālus; praktiski radās mālbetons (māls+akmeņi+ šķembas), nedaudz palīdzēja, ja šajā mālbetonā iesaistīja arī koku zarus – stiegrojuma priekšelementi.

Priekšāzijas senās tautas – (pēta ASIRIOLOĢIJA)

- ŠUMERU (arī SUMERU dažreiz) valsts - māls un dabiskais bitums, vāji apdedzināti kaļķi, kaļķu un pelnu maisījumi.

Vairāki tūkstoši gadu p.m.ē, apmēram 5 gt. pirms mūsu ēras. Ļoti sena, aizmirsta tauta D-Mezopotāmijā, starp Tigru un Eifratu, tagadējā Irākas D daļa → eiropeīdā rase , pastāvēja verdzība→ vēlāk saplūda ar austrumsemītiem un izveidojās Akadiešu tauta (akadiešu dinastija 24-22 gs.p.m.ē.), kas pakļāva Šumeru valstiņas (Umma, Uruka, Lagaša). Šumeri radīja ķīļu rakstu (27-30 gs. P.m.ē.).

- MEZOPOTĀMIJA - Neapdedzināti un mazapdedzināti ķieģeļi, asfalta un dabiskā bitumena javas, hidroizolācijas, apdedzinātas māla caurules, sienu un grīdas flīzes, niedras, kas noklātas ar asfaltu stiegrojumam, apdedzinātu eļļas koka stiprinājumus mūrī.

(DIVUPE – vēsturisks novads R-Āzijā, Tigras un Eifratas vidusteces un lejteces baseinā, viens no senākajiem civilizācijas centriem.

3 gt. P.m.ē. → Akada, Ūra → 2 gt.p.m.ē. → Babilonija → 9.- 7. gs.p.m.ē. → Mezopotāmija ietilpst Asīrijā → 7. – 6. gs.p.m.ē. → Jaunbabilonijā → 6. – 4. gs.p.m.ē. → Ahemenīdu valstī → 4. gs. P.m.ē. → Maķedonijas Aleksandra impērijā → 4. – 2. gs.p.m.ē. → Seleikīdu valstī → 3. gs.p.m.ē. līdz 3.gs.m.ē. → Partas valstī → 3.gs.m.ē. līdz 7.gs.m.ē. (Anno Dominī –AD) → Sasanīdu valstī → no 7.gs.AD → Arābu kalifātā → 11.gs.AD → iekaroja seldžuki → 13. gs.AD → iekaroja mongoļi → 17.gs.AD līdz 1918. g. → ietilpa Osmaņu impērijā → kopš 1918. gada Mezopotāmijas lielākā daļa ietilpst IRAKĀ, bet pārējā daļa SĪRIJĀ un TURCIJĀ.

7

- BABILONIJA - Sena vergturu valsts Mezopotāmijas D daļā ar galvaspilsētu Babilona, jeb Bābele (2. gt. P.m.ē., Šumeras un Akadas teritorijā, netālu no tagadējās IRAKAS pilsētas Hillas). Izmantoja dedzinātus ķieģeļus ar smilšu-kaļķu javu vai arī šķidrus kalnu sveķus;

- URARTA – jēlķieģeļi un to sasaistīšanai izmantoja : mālus, dzēstu kaļku java, kaļķu un pelnu maisījumi, asfalts

- ASĪRIJA - jēlķieģeļi un to sasaistīšanai izmantoja : mālus, dzēstu kaļku java, kaļķu un pelnu maisījumi, asfalts

- SENĀ ĒĢIPTE – Valsts Āfrikas ZA daļā, Nīlas upes lejteces apvidū, kas izveidojās ap 3-4 tūkstoši gadu p.m.ē un pastāvēja līdz 30 p.m.ē. (ar pārtraukumiem).

Jau tad izmantoja kaļķu javu, kas saturēja vienu masas daļu kaļķu un trīs daļas smilšu;

8

2.att. BABILONIJA , valsts robežas 2 tg. p.m.ē.

Apmēram 3 tūkstošus gadu p.m.ē. parādījās jau daudz tehnoloģiskāka un izturīgāka saistviela nekā senais kaļķis – ģipsis, ko jau tad ieguva, apdedzinot pie 130 - 160ºC un pēc tam sasmalcinot dabisko ģipšakmeni. Senajā Ēģiptē ģipša saistvielas lietoja ēku, būvju un pat piramīdu celtniecībā (Heopsa piramīda - lielākā Ēģiptē, 27.gs. p.m.ē., Ēģiptes labirints netālu no Faijūmas oazes, 19.gs. p.m.ē. ).

9

Siltums Q CaSO4 · 2H2O CaSO4 · ½H2O + CaSO4

130 – 160 ºC Dabiskais ģipšakmens Pushidrāts Šķīstošais anhidrīts | | ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ( Ģipša cements ) + H2O CaSO4 · 2H2O Mākslīgais ģipšakmens

3.att. Ģipša ražošanas un hidratācijas ķīmiskās reakcijas. Par cik ģipsis ir nestabīls ūdenī, ģipša cements nav hidraulisks cements un to pieskaita pie tipiskām gaisa saistvielām (tas spēj cietēt un ilgstoši saglabāt stiprību tikai gaisa vidē).

Daudz vēlāk cilvēki sāka apdedzināt kaļķakmeni pie augstākām temperatūrām (>600ºC) un iemācijās izgatavot būvkaļķus, ko izmantoja javu un kaļķbetonu izgatavošanai. Romiešu arhitekts un inženieris Vitrūvijs (1.gs. otrā puse p.m.ē.) savā darbā “Desmit grāmatas par arhitektūru” ne tikai piemin šo, jau tad ļoti seno saistvielu, bet detalizēti apraksta kaļķa ieguves tehnoloģiju, metodes, kā izvēlēties smilšu pildvielas un kaļķu javas receptuālo sastāvu.

Siltums Q CaCO3 CaO + CO2

Kaļķakmens 900 – 1000 ºC Neveldzētie kaļķi Ogļskābā gāze ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ + H2O H2O + aktīvs SiO2

( PUCOLĀNI )

Ca(OH)2 CaO - SiO2 - H2 O Veldzētie kaļķi Kalcija hidrosilikāts

4.att. Būvkaļķu ražošanas un hidratācijas ķīmiskās reakcijas ar un bez pucolānmateriālu piedevām. Veldzētie kaļķi Ca(OH)2 arī nav ūdenī stabīli un tos klasificē kā gaisa saistvielas, bet tie spēj lēni karbonizēties gaisa vidē, veidojot ūdensizturīgu gala produktu CaCO3. Turpretīm, ja hidratācijas reakcijā piedalās arī pucolānmateriāli, iegūstam hidraulisku saistvielu (saistvielas, kas cietē ne tikai gaisa vidē, bet vēl labāk ūdenī, veidojot ūdensizturīgus savienojumus).

10

Sacietējot kaļķu javai norisinās tehnoloģiskā ūdens izgarošana, kas ir primārais cietēšanas faktors, kas nebūt vēl nenodrošina javai blīvu struktūru. Turpmākā procesā vēlāk parādās sekundāras ķīmiskas reakcijas, ko sauc par karbonizāciju:

Ogļskābā gāze CO2

CaO + H2O → Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O Neveldzētie kaļķi Ūdens Veldzētie kaļķi Kaļķakmens Ūdens

5.att. Karbonizācijas reakcija. Dažas no šīm senatnes mūrjavām uzrāda tik augstus cietības rādītājus, ka savā laikā zinātnieki pat pieļāva domu, ka pastāv kāds mums nezināms noslēpums to izgatavošanā, kas varetu būt pēc tam pazaudēts. M.Vitrūvija darbu studēšana izgaisināja šo mītu.

Šīs reakcijas blīvē kaļķu javu, bet tikai virsējā kārtā un pakļaujot mūrējumu ūdens iedarbībai, tas pārstāj karbonizēties, kaut gan karbonizētais materiāls ir pietiekoši ūdensnecaurlaidīgs. Parasta kaļķu saistviela nav tomēr hidrauliska.

Lai pastiprinātu kaļķu javu ūdensizturību, senie Grieķi un Romieši pievienoja tai smalki samaltu apdedzinātu mālu, vai irdenus vulkāniskos pelnus un putekļus, ko ņēma no Vezuva kalna piekājes ciemata Pucoli apkārtnes (Itālija, Tirrēnas jūras Neapolitānas līča austrumu krastā). Grieķijas jūru piekrastes iedzīvotāji, šiem pašiem nolūkiem, lietoja “santorina zemi” ( Santorins – vulkāns Kiklādu salu arhipelāgā, Egejas jūrā, Grieķijā).Termins “pucolāni” raksturo cementu hidraulisko īpašību veidojošās smalki maltās minerālpiedevas un to turpina izmantot arī mūsdienās. Pucolānmateriāli reaģē ar kaļķi, veidojot ūdensizturīgus cementējošus kalcija hidrosilikāta produktus. Šādi pagatavotu būvjavu varēja izmantot mitrās vietās, jūras un upju krastu nocietinājumos u.c.

Līdz pat XVII gadsimta beigām, malts ķieģelis un dabiskais pucolāns bija vienīgie materiāli, kas kaļķu javām un betoniem nodrošināja hidrauliskās īpašības. Tā tas nevarēja turpināties ilgi, jo no tālienes vestais pucolāns daudzām Eiropas zemēm bija par dārgu. Sākās meklējumi, lai aizvietotu Itālijas pucolānu ar dažādu zemju vietējiem, daudz ekonomiskākiem materiāliem.

Hollandieši bija pirmie, kas guva labus rezultātus ar trassu - smalki maltu tufu (arī vulkāniskas izcelsmes cementēts drupu izvirdumiezis), kuru ieguva Reinas upes krastos. Nedaudz vēlāk

11

atklāja, ka hidrauliskas īpašības kaļķiem nodrošina arī akmeņogļu pelni un malti izdedži, pumeks. Līdz 1700.gadam pasaulē lietoja tikai baltas krāsas tīru kaļķu saistvielu. Savā ziņā revolucionāru atklājumu veica angļu slavenais būvnieks Džons Smitons (John Smeaton), kas 1756. gadā ceļot Edistonas bāku pie Plimutas (Anglija, Devonšīra), hidraulisko javu izgatavošanai izmantoja dabiskos mālus un kaļķakmeni. Viņš bija pirmais, kas norādīja, ka agrāk lietotais tīru kaļķu un hidraulisko piedevu maisījums nav tas pats produkts, kas rodas, ja apdedzina dabisku kaļķakmens un mālu maisījumu. Šo momentu var skaitīt par hidraulisko kaļķu tapšanas sākumu, to veiksmīgi, bet neatkarīgi no angļiem, turpināja franču kara inženieris-zinātnieks Vika (Louis – Jeseph Vicat, 1786 – 1861).

1796. gadā anglis Džeimss Parkers atklāja, ka mēreni (spēcīgu apdedzināšanu tad vēl nepraktizēja) apdedzinot mālaino kaļķakmeni, pēc tam samaļot to un iejaucot ar ūdeni, var iegūt ātras saistības materiālu, kas cietē un kļūst ciets ūdenī. Atšķirībā no Dž.Smitona iegūtās saistvielas, Dž. Parkera cements jau vairāk nedzēsās, kad tam pievienoja ūdeni, tas tikai stipri sasila un ļoti ātri saistījās. Parkers nosauca šo jauno hidraulisko saistvielu par “romancementu”, kas burtiskā tulkojumā nozīmē “Romas cements”. 1812. gadā Vika izgatavoja pirmo pasaulē (Buloņā, Francijā) sintētisko cementu, apdedzinot sasmalcinātu balto kaļķakmeni un mālu. Vika apdedzināja atsevišķi mālus un kaļķakmeni, līdz ar to iegūstot cementa saistvielu, kas ar savām īpašībām jūtami atšķīrās no angļu iegūtajiem cementiem.

1824. gadā angļu mūrniekam Džozefam Aspdinam ( no Lidsas, 1779 - 1855) tika izdots patents uz saistvielas (cementa) izgatavošanu, apdedzinot maisījumu, kas sastāv no kaļķiem un māliem. Rūpniecisko cementa ražošanu Anglijā viņš organizēja kopā ar savu dēlu Aspdinu junioru (1816 – 1864). Patentēto saistvielu Džozefs Aspdins nosauca par portlandcementu. Šāds nosakums saistvielai tika dots tāpēc, ka pēc cietēšanas jaunizveidotā mākslīgā cementa akmens krāsa un cietība bija ļoti līdzīga dabiskajam būvakmenim, ko ieguva Portlandes akmenslauztuvēs ( Dorseta, Anglijas dienvidos). Par cik cementa klinkera apdedzināšanas process netika turpināts līdz saķepšanai, īstenībā tika iegūts romāncementa paveids, kas bija izgatavots jau no mākslīgi sagatavota izejmateriālu maisījuma.

12

Īsts portlandcements (kā to tehnoloģiski saprotam šodien), pirmo reizi tika izgatavots arī Anglijā, bet tikai 1844. gadā un to paveica Aizeks-Karls Džonsons (1811 – 1911), rūpnīcas apstākļos sasniedzot saķepšanas temperatūru (klinkerēšanās temperatūra) krīta un mālu mākslīgajam maisījumam.

Teorētiski tuvu hidrauliska cementa atklāšanai šajā vēsturiskajā momentā bija arī Krievijas kara inženieris-tehniķis Jegors Čeļijevs, kas 1825. gadā publicēja Maskavā grāmatu, kurā bija apkopoti viņa eksperimenti cementa izgatavošanā no mākslīga kaļķu javas un māla maisījuma, to stipri apdedzinot un samaļot. Pie cementa samaisīšanas ar ūdeni viņš rekomendēja pievienot nelielā daudzumā ģipša piedevu.

Neskatoties uz to, ir pieņemts skaitīt 1824. gadu (daži informācijas avoti uzrāda arī 1825.gadu) par portlandcementa rašanās brīdi un par tā dzimteni – Angliju.

Portlandcementu izgatavoja Anglijā un to plaši eksportēja uz dažādām Eiropas un Amerikas valstīm, galvenokārt jūras ostu būvniecībai. Jaunu pavērsienu cementa industrijā sekmēja sarežģījumi pasaules politikā. Lai bremzētu ostu izbūves tempus Krievijā, Anglijas karaliene izdeva dekrētu, kas aizliedza izvest angļu cementu uz Krieviju. Gala rezultātā šāda rīcība nāca par labu tikai Anglijas kaimiņvalstīm un pat pašai Krievijai. No šī momenta (XIX gs. otrā puse) sākās ātri un plaši izvērsta mākslīgās saistvielas – portlandcementa, rūpnieciskā ražošana dažādās pasaules valstīs. Vispirms, 1850. gadā Francijā, Buloņas (Boulogne-sur-Mer) pilsētā Dupons uzcēla portlandcementa rūpnīcu. Tai sekoja Vācijas aktivitātes – 1852.gads, Bleibtrejs.

Cariskās Krievijas toreizējā teritorijā pirmā portlandcementa rūpnīca tika uzcelta 1856. gadā bijušajā Petrakovskas guberņas bendinskas apriņķī pie Grodzecas sādžas (šodien tā ir Polija) un to izdarīja uzņēmējs I.Cehanovskis. Latvijas teritorijā Rīgas cementa un šīfera rūpnīca (toreiz to sauca par Rīgas portlandcementa un romāncementa fabriku “C.Ch.Schmidt” a/s) bija otra vecākā cementa rūpnīca cariskajā Krievijā. To dibināja 1866. gadā Rīgas tirgotājs K.Šmits, Poderagā, Daugavas kreisajā krastā. Šodien tās vietā ir palicis tikai A/S “Brocēni” cehs. Trešā vecākā Krievijas cementa rūpnīca tika uzcelta Portkundā, Igaunijā.

13

Šajā laika periodā (XIX gs. otrā puse un XX gs. sākums) zinātne un tehnika ļoti izteikti aizrāvās ar portlandcementa pētījumiem, atstājot ēnā kaļķa un ģipša saistvielu pilnveidošanu. Pirmie māģinājumi izstrādāt portlandcementa kvalitātes normatīvus, tika pieņemti Francijā 1848.gadā (Vika), Anglijā 1859.gadā (Grants), Vācijā 1869.gads (Mihaeliss), bet Krievijā 1881.gadā (prof. N.Beleļubskis un A.Šuļačenko). Latvijā 1935.g. beigās Rīgas cementa fabrikā izveidoja Valsts mākslīgā šīfera fabriku, ko vēlāk pārveidoja par a/s “Šifers”, kas sāka ražot azbestcementa plātnes jumtu iesegšanai (mākslīgais šīfers, agrāk bieži saukts arī “eternits”)1938.g. sāka darboties Brocēnu cementa fabrika, ko izveidoja uz Cieceres kaļķakmens karjera bāzes. 1939.g. Brocēnos sāka darboties arī šīfera cehs.

Saistvielu lielā daudzveidība pēc to ķīmiskā sastāva, mehāniskām īpašībām un ieguves veida radīja nepieciešamību sistematizēt tās, izveidot saistvielu klasifikāciju. Šo apjomīgo darbu paveica franču pētnieks Vika. Publiski tas tika atdzīts 1885. gadā Minhenes starptautiskajā materiālu izpētes konferencē, kur tika pieņemta pirmā pasaulē saistvielu klasificētā nomenklatūra. Mūsdienās galvenā saistviela būvniecībā ir portlandcements un tā dažādie paveidi. Portlandcements ir smalki samalts klinkers, ko iegūst apdedzinot līdz saķepšanai (līdz daļējai materiāla sakušanai) izejmateriālu maisījumu (3/4 kaļķakmens + ¼ māli), tādejādi nodrošinot tajā augsti bāzisku kalcija silikātu saturu (75 - 80 %). Lai regulētu cementa saistīšanās laikus, maļot klinkeru, tam pievieno nelielā daudzumā ģipsi vai CaSO4, parasti 1 – 4%. Ģipsis pozitīvi ietekmē arī cementa hidratācijas siltumu un tā stiprības īpašības.

14

Vispārinošu portlandcementa kompozīcijas sastāvdaļu pārskatu aplūkosim tabulas veidā:

3CaO·SiO2 β2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3 4CaO·Al2O3·Fe2O3

Saīsināta formula C3S βC2S C3A C4AFPieņemtais nosaukums alīts belīts - celītsGalvenie piemaisījumi MgO, Al2O3,

Fe2O3

MgO, Al2O3,

Fe2O3

SiO2, MgO,sārmi

SiO2, MgO,

Kristāliskā forma monoklīniskā monoklīniskā Kubiska, ortorombiska

ortorombiska

Sastāvdaļu proporcijas, %

- iespējamais diapazons 35 - 65 10 - 60 0 - 15 5 - 15- vidējais daudzums 50 25 8 8Stiprības pieaugums :

- agrā vecumā labs vājš labs labs- galīgais labs teicams vidējs vidējsHidratācijas siltums, kJ/kg 500 250 900 300Hidratācijā saista ūdeni, % 25 20 40 - 210 37 - 70

Apzīmējumi: CaO = C; SiO2 = S; Al2O3 = A; Fe2O3 = F; H2O = H;

1) Galvenais klinkera komponents cementā;2) C3S ķīmiski reaģē ātrāk par C2S un nodrošinā ātru stiprības

pieaugumu;3) Galīgās stiprības izveidošanā viens no noteicošiem faktoriem;4) Izturīgs pret sulfātu iniciētu koroziju;5) Hidratācijas reakcija: Ca3SiO5 + (y + z)H2O = zCa(OH)2 + Ca (3-z)SiO(5-z) y H2O Hidratācija zināmā mērā ir atkarīga no C3A un ģipša daudzuma, jo abi šie komponenti veicinā C3S hidratāciju. Tāpat to sekmē arī bāziskā vide.

1) Pēc nozīmības otrais komponents cementā;2) C2S ķīmiski reaģē lēnāk nekā C3S un tāpēc stiprības pieaugums

ir lēns;3) Galīgās stiprības izveidošanā ir noteicošais faktors;4) Izturīgs pret sulfātu iniciētu koroziju;5) Hidratācijas reakcija ir analoga C3S hidratācijai, bet noris daudz lēnāk un

var turpināties vēlākā hidratācijas periodā, sekmējot turpmāku stiprības pieaugumu.

C3Salīts

C2Sbelīts

15

1) Agrās stiprības izveidošanā ir noteicošais faktors;2) Galīgās stiprības izveidošanā nav noteicošais faktors;3) Nav izturīgs pret sulfātu iniciētu koroziju;4) Salīdzinoši ar C3S, reaģē ļoti ātri ar ūdeni, veidojot divus

hidratācijas produktus: 2 C3A + 21H = C4AH13 + C2AH8 . Šie kristāliskie hidrāti ātri pāriet C3AH6 formā un iniciē kristāliskā režģa veidošanās procesu. Brīva kaļķa klātbūtnē cementa pastā sākuma periodā parasti pārsvarā ir C4AH13 , kas īpaši aktivizē cementa pastas saistīšanās procesu. Lai palēninātu saistīšanās, cementam tiek pievienots ģipsis, kas palīdz hidratācijas laikā veidoties etringita minerālam :

C3S C SiO23A + 3CaSO4·2H2O + 25-26 H2O = Ca6Al2O6(SO4)·31-32 H2O

1) Stiprības pieaugumu hidratētā cementa pastā iespaido niecīgi;2) Daļēji saista C3S cietējot radušos kaļķus Ca(OH)2 un palielina

cementa korozijas noturību;3) Hidratācijas reakcija: C4AF + 13H = C4AFH13

Cementus ar zemu sārmju oksīdu saturu lieto betonu

ražošanai, kur pildvielas nodrošinā pietiekamu SiO2 daudzumu. Sārmi aktivizē ķīmiskās reakcijas ar amorfo SiO2. Tāpat sārmu oksīdi sekmē agrās

stiprības paātrinājumu un galīgās stiprības zināmu samazinājumu. Sārmaino komponentu saturs ir atkarīgs no izejmateriāliem un arī no paša cementa ieguves tehnoloģiskā procesa īpatnībām. Cementa izgatavošanas “slapjais” process nodrošina cementā mazāku sārmju oksīdu saturu, nekā “sausais” izgatavošanas process.

Cementi ar augstu magnija oksīda saturu, var turpināt hidratēties arī pēc cementa saistīšanās un izraisīt tilpuma izmaiņu (izplešanās) deformācijas.

Cementi ar augstu brīvā kaļķa saturu, tam reaģējot ar ūdeni, var izraisīt iepriekš neparedzamas deformācijas (izplešanās).

C3ATrikalcija alumināts

C4AFCelīts

Sārmju oksīdi (Na2O + K2O)

MgO

Brīvs CaOkaļķis

16

Kopš 1995. gada Latvijā ir ieviests cementa standarts LVS EN 197-1, kas pilnībā atbilst Eiropas prasībām un būtiski atšķiras no līdz tam lietotajiem standartiem. Standarts aptver dažāda veida cementus, kas ražoti uz portlandcementa klinkera bāzes un tiek lietoti būvniecībā par hidraulisko saistvielu. Pēc LVS EN 197-1 cementu raksturo nevis kā agrāk – ar cementa marku, bet gan ar cementa tipu un stiprības klasi. Stiprību mēra Mpa (N/mm²), saskaņā ar EN 196-1 Cementa tips norāda cementa sastāvdaļas, to pieļaujamo daudzumu un cementa lietojuma jomu. Eiropā izšķir piecu tipu cementu: I – vispārīgā lietojuma cements, ko izmanto, ja betonam netiek izvirzītas nekādas īpašas prasības. Tas sastāv no tīra portlandcementa klinkera un tā sastāavdaļu (minerālu) daudzums netiek reglamentēts;

II - vispārīgā lietojuma cements ar vidēju sulfātizturību un vidēju hidratācijas siltuma izdalīšanās daudzumu, ko panāk, reglamentējot cementa sastāvdaļas un pievienojot tam smalki maltas minerālpiedevas;

III – augstas agrās stiprības (pēc 2 līdz 7 diennakšu cietēšanas) cements, kam ir smalkāks malums;

IV – cements ar zemu hidratācijas siltuma izdalīšanās spēju;

V - augstas sulfātizturības cements.

Pasaules prakse rāda, ka 90 % visa rūpnieciski ražotā hidrauliskā cementa ir I un II tipa cements, 3 % ir III tipa cements, bet pārējais ir dažāda veida speciālais cements.

Par smalki maltajām minerālpiedevām tiek izmantoti katrā valstī un reģionāa savi pieejamie vietējie dabiskie vai mākslīgi iegūtie materiāli. Šos materiālus apzīmē ar burtiem, piemēram, P – dabiskais pucolāns, L – kaļķakmens, T – degakmens pelni. Klinkera daudzums šādā saliktā cementā tiek apzīmēts ar A vai B.

Stiprības klase raksturo cementa spiedes stiprību pēc 28 diennakšu cietēšanas (hidratācijas). Ir sešas stiprības klases: “32,5”, “32,5R”, “42,5”, “42,5R”, “52,5” un “62,5 ”. Standarts reglamentē arī cementa agro stiprību: var būt cements ar normālu vai augstu agro stiprību. Cementu, kam ir augsta agrā stiprība, apzīmē ar burtu R, bet dažās valstīs normālas stiprības cementiem pievieno burtu N.

17

A/S “Brocēni” ražo šāda veida cementu: I tipa “32,5”un “42,5” stiprības klases augstas agrās stiprības cementu, II tipa “32,5” stiprības klases augstas agrās stiprības cementu un II tipa “42,5” stiprības klases normālas agrās stiprības cementu. Par smalki malto minerālpiedevu klinkeram tiek izmantoti degakmens pelni. Cementa veida saīsinātais apzīmējums tiek norādīts uz cementa papīra maisa iepakojuma “CEM I 32,5R”, “CEM I 42,5R”, “CEM II/A-T 42,5” un “CEM II/B-T 32,5R”. Pēc 48 stundu cietēšanas cementa “CEM I 42,5R” sasniegtais agrās stiprības lielums ir > 20 Mpa, pārējiem cementa veidiem šis rādītājs ir >10 Mpa. Šo cementa veidu vidējā spiedes stiprība pēc 28 diennakšu cietēšanas ir šāda (iepriekšminētajā cementa veidu secībā): 44, 53, 52 un 42 Mpa.

18

SAISTVIELU IEDALĪJUMSNEORGANISKĀS SAISTVIELAS ORGANISKĀS

SAISTVIELASGAISA HIDRAULISKĀS AUTOKLĀVOS

CIETĒJOŠĀSSKĀBJ - IZTURĪGĀS

DABISKAS MĀKSLĪGAS(SINTĒTISKAS)

NEAPDEDZINĀTI MĀLI

HIDRAULISKIE KAĻĶI- vāji hidrauliski kaļķi;- stipri hidrauliski kaļķi

-kaļķu smilšu maisījums;- kaļķu-sārņu cements (CaO=10-30%);- kaļķu-pelnu cements;- kaļķu pucolāncementi;(CaO=10-30%);- kaļķu-mālzemes cements;- kaļķu-nefelīn saistviela;

- kvarca silīcijfluora cements;

BITUMS BITUMENS- naftas;ASFALTS

BŪVKAĻĶI-neveldzētie kaļķi-veldzētie kaļķi (pulverkaļķi)-kaļķu mīkla

KOPĀLS PIĶA UN BITUMENA MAISĪJUMS ROMĀNCEMENTS SVEĶI

- kaučuki;- lateksi;- kolofonijs;

PORTLANDCEMENTS- portl.c. ar piedevām;- plastiskais portl.c.;- ātri cietējošais portl.c.;- sulfātiturīgais portl.c.;- pucolānportlandcements- baltais portlandcements;- krāsainie sintētiskie portlandcementi.;- tamponāžas portl.c.;- sārņu portl.c.;- spriegojošais portl.c.- ultraaugstas agrās stiprības portlandcements;- regulētās saistīšanās portlandcements;- ALUMINĀTCEMENTS

PIĶISDARVAS- akmeņogļu;- koksnes;- degakmens;- kūdras

ĢIPSIS-būvģipsis (alebastrs);-tēlnieku ģipsis;- veidņu ģipsis;- medicīnas ģipsis;-augstas stiprības ģipsis;-anhidrītcements;- estrihģipsis;- fosforģipsis;- ģipša cements

LĪMES- ciete;- dekstrīni;- kazeīns;- kolagēns;- albumīni

GUDROKAMI(gudrona saistvielas)BITUMEN-DARVAS-POLIMĒRI

HIDRAULISKĀS PIEDEVAS(PUCOLĀNPIEDEVAS)

DABISKAS MĀKSLĪGASPOLIMĒRI- celuloze;- olbaltums;- žūstošās eļļas;- pernicas;

POLIMĒRBITUMENI

POLIMĒRU- polietilēns;- polipropilēns;- polivinīlhlorīds;- perhlorvinīls;- polivinīlacetāts;- polistirols;- poliakrilāti;- poliizobutilēns;- kumaron-indēni;- fenolformaldehīds;- amīn-formaldehīdi;- alkīdi;- poliuretāni; - furāni;- epoksīdu;- silikoni;- mākslīgie lateksi

VULKĀNISKIE STIKLI

- santorīna zeme;- itālijas Bacoli pucolāns;- Japānas Širasu pucolāns;- Romas pucolāns;

GRANULĒTISĀRŅI UN IZDEDŽI

- domnu sārņi;- metalurģijas izdedži;

--

- akmeņogļu izdedži;- brūnogļu izdedži;- degakmens pelni;- mikrosilika;- rīsa sēnalu pelni;- elektrofiltru putekļi;

MAGNEZIĀLĀS-kaustiskais magnezīts (Soreļa cements);- kaustiskais dolomīts MĀLZEMES CEMENTS

(boksītu cements)BRIESTOŠIE UN BEZRUKUMA CEMENTI

ŠĶĪSTOŠAIS STIKLS- silikātlīme VULKĀNISKIE

TUFI (ceolīta)- itālijas Segni-Latium pucolāni;- Reinas trass;- Bavārijas trass;- Andernahas trass;- Karadagas trass;

-

NEFELĪNCEMENTSĢIPŠA PUCOLĀNCEMENTS

SULFĀT-SĀRŅU CEMENTS

MĀLU SATUROŠI MATERIĀLI- apdedzināts māls;- cemjanka (mākslīgais pucolāns);-glinīts

FOSFĀTU SAISTVIELA KALCINĒTI MĀLI VAI SLĀNEKĻI(600 – 900 ºC)- Indijas pucolāns SURKHI

SĒRA SAISTVIELA ELEMENTORGANIS-KĀS LĪMES- silīcijorganiskās

MAGNIJAFOSFĀTCEMENTS

19

- malts ķieģelis-

---

- diatomīta zeme;- trepels;- kizelgurs

-

-

Pirms aplūkosim moderna portlandcementa ražošanas tehnoloģisko procesu, kas ietilpst visās pasaules tehnisko universitāšu būvmateriālu kursa progrāmās, vēl nedaudz atgriezīsimies pie cementa agro laiku klasikas.

20

Vārds cements ir cēlies no latīņu vārda caementum, kas nozīmē raupji, skaldīti akmens gabali, acīmredzot pirmreizēji to lietoja lai raksturotu lauztu akmeņu, flīžu un tamlīdzīgu substanču fragmentāru maisījumu ar kādu no saistošām vielām. No šejienes seko, ka saistošais materiāls ir spējīgs pielipt pie akmens gabaliem un veidot savā starpā saistītu masīvu, pie tam saistāmās substances atsevišķiem fragmentiem nepiemīt līmējošas īpašības (tās nav līmvielas). Šo terminu bieži lietoja, lai raksturotu dažādas nozīmes līmējošus maisījumus, tieši būvniecībā ar to parasti apzīmē portlandcementu, tā modifikācijas un citus radniecīgus materiālus, bet noteikti tikai hidrauliskas saistvielas.

LEKCIJA

21

Hidrauliskie cementi. Agrāko laiku būvniekiem bija labi zināms, ka zināma veida kaļķi, ja tie paspēj saistīties, var izturēt ūdens iedarbību, tāpat bija zināms, ka šādu pašu īpašību var sasniegt arī ar parastiem kaļķiem, ja tiem pievieno tādus silīciju saturošus mteriālus kā dabisko pucolānu vai tufu. Hidrauliskos cementus iedalīja divās grupās. Apdedzinot tīru krītu vai kaļķakmeni, pareizāk sakot, karsējot tos apdedzināšanas krāsnīs, kamēr tiek atdalīta visa ogļskābe, iegūst tīru kaļķi. Tas saskarsmē ar ūdeni spēcīgi (izdalot siltumu) dzēšas, pārvēršoties par dzēstiem kaļķiem, kurus svukārt kopā ar ūdeni sagatavo pastas veidā un samaisot ar smiltīm iegūst parastu javu. Javas sākotnējā saistīšanās notiek tikai kaļķu žūšanas rezultatā (tīri fizikāls fenomens, jo starp kaļķiem un smiltīm ķīmiska reakcija parastos apstākļos nenotiek). Smiltis šajā gadījumā pilda tikai liesinātāju lomu, lai žūšanas laikā aizkavētu pārliecīgu rukumu un plaisāšanu. Turpmāko javas cietēšanu izraisa pakāpeniska ogļskābes absorbcija no gaisa, ko veic kaļķi, tiek formēta karbonizētu kaļķu kārtiņa, ķīmiskās aktivitātes notiek galvenokārt tikai virskārtā un šāds materiāls nespēj turēties pretī ūdens iedarbībai, tas der tikai sausos apstākļos. Kalcija hidrosilikāti veidojas ārkārtīgi lēni (šādu savienojumu iespējamību kaļķu javā pirmo reizi pierādija Fukss 1829.gadā), cietēšanas process turpinās simtiem gadu, pat pēc 300 gadiem vēl var atrast kaļķu javas mūrī brīvu nekarbonizētu kaļķi.

Kad bija atklāta dabisko pucolānu un mākslīgo pucolānpiedevu spēja ietekmēt kaļķu hidrauliskās īpašības, maisījumu, kas sastāvēja no kaļķiem un aktīva silīcija (amorfa un hidratēta) vai silikātiem, kas satur aktīvu kramaini (SiO2·nH2O) sauca par pucolāncementu. Dabisko pucolānu sastāvs

CaO CaCO3 MgO MgCO3 SiO2 Al2O3 Fe2O3 Citas vielas

Neapoles pucolāns(tumšas nokrāsas)

8,96 - - - 24,50 15,75 16,30 20,00

Neapoles pucolāns(gaiši pelēks)

- 19,67 - 6,83 33,67 14,73 9,46 7,3

Visvienkāršākais pucolāncements tātad ir tīri kaļķi un amorfs kramainis, bet cementa ražošanai šāds mākslīgi ražots pucolānmateriāls bija par dārgu. Principā, katrs kramaini saturošs minerāls ir derīgs hidrauliskā cementa izgatavošanai, jo ūdenī nešķīstošais SiO2 pāriet šķīstošā veidā pēc apstrādes ar augstu temperatūru (kalcinēšanas process). Tas nozīmē, ka arī tādi ieži, kā

22

granīti, gneisi, porfīri, laukšpati, vizlas, kalnu kristāls un kalcedons pēc apdedzināšanas, samaisot ar kaļķiem, spēj cietēt zem ūdens. Interesanti atzīmēt, ka arī dabiskais amorfā kramaiņa paveids – kizelgurs, nebija pieejams cementa ražotājiem, jo to plaši lietoja kā nitroglicerīna absorbentu, ražojot dinamītu. Ražošanā iztika ar virkni citu dabiskas izcelsmes vai mākslīgi iegūtām aktīvā silīcija substancēm (sk. tabulu "Saistvielu iedalījums"). Teicama mākslīgi izgatavota pucolānpiedeva ir granulēti domnu sārņi. Sārņi, kas satur procentuāli daudz kaļķa, tiek granulēti izkusušā veidā ar lielu ūdens daudzumu (strauji atdzesēti). Šādā veidā granulēti sārņi būtiski atšķiras no lēni atdzesētiem sārņiem, jo strauji atdzesējot kristāliskas struktūras vietā veidojas amorfa, stiklveida materiāla fāze. Zināms enerģijas daudzums, ko sārņi iegūst izkusušā stāvoklī, saglabājas materiālā arī pēc to sacietēšanas un šī potenciālā enerģija pārvēršas kinētiskajā, kad sārņi nonāk kontaktā ar kaļķiem ūdens klātbūtnē. Rezultatā rodās ūdenī izturīgie kalcija hidrosilikāti (CaO - SiO2 - H2 O vai saīsināti C-S-H): lēni Ca(OH)2 + H2O + aktīvs SiO2 ·n H2O ——→ CaO - SiO2 - H2O Veldzētie kaļķi Ūdens Pucolānpiedeva Kalcija hidrosilikāts Šo reakciju sauc par pucolānreakciju un tai piemīt trīs tehniski svarīgas iezīmes. Pirmkārt, reakcija noris lēni, līdz ar to arī siltuma izdalīšanās un stiprības pieaugums būs lēns. Otrkārt, reakcija ir izteikti kaļķi patērējoša (sasaistoša), bet nevis kaļķi veidojoša, kas ir ļoti svarīgi lai hidratētā pucolāncementa pasta būtu ilgizturīga skābā vidē. Trešām kārtām, cementa poru sadalījuma analīzes parāda, ka reakcijas produkti ļoti efektīvi aizpilda lielus kapilārus tukšumus, nodrošinot visas sistēmas paaugstinātu stiprību un ūdensnecaurlaidību. Šīs iezīmes tiek ņemtas par pamatu arī visiem modernajiem pucolāntipa cementiem.

Granulētos sārņus samaļ kopā ar veldzētiem kaļķiem,līdz tie iegūst smalki frakcionētu viendabīgu maisījumu. Parasti ņēma trīs masas daļas sārņu un vienu daļu veldzētus kaļķus. Šādu maisījumu sauca par sārņu cementu, tas saistijās ļoti lēni, bet tā galīgā stiprība gandrīz sasniedza portlandcementa stiprību. Tas bija lēts un piemērots dažādiem lietojuma veidiem, tomēr īpašu popularitāti sārņu cements neieguva. Arī šodien sārņu cements ir tikai lokālas nozīmes saistviela, ko iegūst samaisot kaļķus ar pucolāna vairākumu, kas daļēji pilda arī hidrauliskas javas liesinātāja funkcijas. Aplokotajā gadījumā gan pucolāncementu, gan sārņu cementu un arī kaļķu maisījumus ar maltiem izdedžiem (izdedžu cements), krāsns pelniem un maltu dedzinātu mālu, vai maltu keramiku (cemjanka, glinīts), ir pieskaitāmi pucolāntipa hidrauliskām saistvielām jeb cementiem.

23

No pucolāntipa cementiem atšķirīgi ir tā saucamie portlandes jeb hidrauliska tipa cementi, kas nav tikai mehāniski kaļķa un aktīvā kramaiņa maisījumi, kas ir gatavi tūlītējai lietošanai, bet gan noteikta sastāva ķīmiski kalcija, silīcija un alumīnija savienojumi, kas iejaukti ūdenī, veido mākslīgu akmens materiālu ar kristālisku substanci, ar ievērojamu mehānisko stiprību un spēju cieši salīmēt atsevišķus pildvielu graudus. Portlandes tipa cementa ķīmiskie savienojumi veidojas pie augstas temperatūras no kaļķakmens un māla maisījuma materiāla (vai arī, ja to sekmēja vietējie apstākļi, izmantoja krītu, merģeli, mālaino slānekli, domnu sārņus utt.). Portlandes tipa cementu visagrākās formas bija dažādas hidrauliskās pakāpes hidrauliskie kaļķi un romāncements. Ja romāncements ir stipri magneziāls to dažreiz dēvēja arī par dolomītcementu. Par hidrauliskiem kaļķiem sauc tādu merģeļu, vai dolomītu apdedzināšanas produktu, kas satur pietiekošu daudzumu brīva kaļķa un magnēzija (magnija oksīdu - MgO ), lai dzēšot to ar ūdeni, tas sairtu pulverī (ρo = 2500 – 2800 kg/m³ ). Tā ir hidraulisko kaļķu atšķirība no romāncementa (ρo = 2600 – 3000 kg/m³ ), kas pulverī pats nesairst un ko ir speciāli tāpēc jāmaļ. Romāncementi parasti ātri saistās (15 min. ) un arī ātri cietē.

Tālāk sākās portlandcementa ēra, kas sekmīgi turpinās un pilnveidojas arī mūsu dienās (sk. tabulu "Saistvielu iedalījums"). Portlandcements pēc analoģijas ir ļoti līdzīgs parastai divkomponentu līmei. Tāda līme sastāv no A komponentes un B komponentes, kuras ir jāsamaisa noteiktā proporcijā. Šādai līmei parasti ir nepieciešamas vēl arī pildvielas, lai uzlabotu līmes stiprību un lai tā būtu lētāka.Tāpat ir vajadzīgs atšķaidītājs, lai līme būtu ērtāk iestrādājama, kas pēc līmēšanas var arī iztvaikot. Vairāk vai mazāk līdzīgi ir ar portlandcementu. Ir noteikta, optimāla ūdens un cementa attiecība (Ū/C ), pie kuras nav brīvs ūdens un nav nereaģējis cements. Ūdens pārpalikums vienmēr darbosies kā atšķaidītājs, bet liekais ķīmiski nereaģējušais cements kā pildviela. Atšķirībā no parastas divkomponentu līmes, atšķaidītājs betonā (ūdens ) var neiztvaikot kamēr notiek hidratācijas ķīmiskais process. Nav iepriekš zināms, kura daļa no ūdens tiks izmantota kā atšķaidītājs un, kura kā ķīmiskais reaģents. Tieši tāpēc betoniem pēc iestrādes ir jāveic rūpīga mitrumrežīma aprūpe. Portlandcements ir produkts, ko iegūst no dabiskiem merģeļiem vai no mākslīgiem materiālu maisījumiem, kas sastāv no kalcija karbonāta un māliem, tos apdedzinot līdz saķepšanai un samaļot smalka pulvera veidā.

24

Portlandcementa ražošana. Cementa ražošanas tehnoloģija ir laika gaitā daudzkārtīgi mainījusies un šodienas modernās portlandcementa rupnīcas būtiski atšķiras no divdesmitā gadsimta sākuma cementa fabrikām. Portlandcementu izgatavo no dabiskiem merģeļiem, kam ir jāpievieno nedaudz māla, vai arī no kaļķakmens un māla sintētiska maisījuma. Šos materiālus var savstarpēji samaisīt ar sauso vai slapjo paņēmienu, par ko bija zināms jau ļoti sen. Sausais paņēmiens prasīja tīrākas un cietākas izejvielas, smalku malumu, un izejvielu iepriekšēju žāvēšanu, bet tas vēl bija tikai sausais izejmateriālu samaisīšanas paņēmiens, tāls no mūsdienu cementa izgatavošanas sausās metodes, kas ļauj ekonomēt enerģētiskos resursus pie apdedzināšanas tehnoloģiskā procesa. Tīri teorētiski, izejmateriālu mīklai būtu jāsatur: 63 % CaO; 21% SiO2; 6% Al2O3; 3% Fe2O3 un 7% dažādu piemaisījumu veidā (agrāk rēķināja 80-81% kalcija karbonāta un 20-19% māla). Lietojot slapjo paņēmienu, cementa ražošanas pirmsākumos, materiālus ievietoja apaļas formas duļķu nosēdināšanas baseinos, aprīkotos ar maisāmām mehāniskām ierīcēm, labi izmaisīja kopā ar ūdeni un ļāva izgulsnēties duļķēm. Izgulsnēto masu, kas saturēja ap 50-60% ūdens, izfiltrēja caur sietiem (324 sietu acis uz cm²), aizturot smiltis un citas daļiņas. Dažreiz imantoja arī īpašus starpbaseinus sastāva korekcijai. Bija sastopamas tehnoloģijas, kur izmantoja mazāk ūdeni, bet tad izejmateriālu maisījuma mīklu (ūdens 40-45%) papildus laida caur valčiem, kas to vēl smalcināja un homogenizēja, tas ļāva sagatavoto masu vairāk nenostādināt un ieekonomēt laiku. Nepieciešamība pēc lielajiem duļķu nosēdināšanas baseiniem, kas aizņēma hektāriem platības (K.Šmita fabrikā Rīgā vēl līdz pat 1907. gadam bija 23 duļķu nosēdināšanas baseini ar kopējo platību lielāku par 2 hektāriem) un pats duļķu nosēdināšanas processa ilgums (3-6 mēneši), diktēja jaunu tehnoloģiju meklējumus, kas varētu apiet šīs neērtības. Pirmās bija dāņa Bergrenea, tad Šemtļiceva un Jemeļjanova (Brjanskas portlandcementa rūpnīca) savā starpā līdzīgas metodes, kas samazināja materiālu samaisīšanas procesu līdz 2-3 nedēļām. Tās pamatojās uz dabiska mitruma izejmateriālu (25-30%) maisījuma pastiprinātu mehānisku sajaukšanu ar valču sistēmām. Nākošais solis bija sausais samaisīšanas paņēmiens, kas paredzēja materiālu žāvēšanu parastās kaļķu apdedzināšanas tipa krāsnīs, jeb īpašas konstrukcijas krāsnīs (Felnera un Ciglera krāsnis cementa izejmateriālu žāvēšanai), un visbeidzot rotējošās metālisku cilindru krāsnīs, kur žāvēšanu veic ventilātoru padots karsts gaiss (Moljēra un Pfeifera krāsnis). Pēc žāvēšanas sekoja materiālu pakāpeniska sasmalcināšana līdz pulverveida stāvoklim. Vispirms akmens

25

drupinātājierīcēs (piemēram, Bleka konstrukcijas) un pēc tam īpašās malšanas dzirnavās (Grifina dzirnavās). Sasmalcinātos (katru materiālu atsevišķi) materiālus novadīja uzglabāšanas silosos un no turienes sajaucējierīcēs, lai iegūtu noteiktas proporcijas viendabīgu maisījumu. Gatavo maisījumu samitrināja līdz 25-30% ar ūdeni un ar speciālām mašīnām (lentveida prese, Dorstena trieciendarbības prese uc.), vai arī ar rokām formēja ķieģeļus, materiāla apdedzināšanai. Atgriežoties pie slapjā cementa izejmateriālu samaisīšanas principa, pēc duļķu nostādināšanas baseiniem duļķu maisījuma mīklu ievietoja liela tilpuma (1000-1500 m³) nostādināšanas rezervuāros, kur mīklu izturēja vismaz 2-3 mēnešus. Daļēji ūdenim šajā laikā dekantējoties (ūdens atdalīšana no nogulsnēm) un izžūstot, mīkla ieguva 25-35 % mitrumu un pēc ķieģeļu veidošanas tā bija gatava žāvēšanai. Žāvēšana agrāk bija pati dārgākā tehnoloģiskā operācija un to veica Moljēra un Pfeifera krāsnīs, vēlāk bieži vien izejmateriālu ķieģeļu žāvēšanai izmantoja apdedzināšanas krāsnis. Žāvēšanas procesam sekoja materiāla apdedzināšana piecu tipu krāsnīs(ieviešanas secībā): 1) Šahtveida, jeb parastajās krāsnīs; 2) Krāsnīs ar žāvētavām, jeb Džonsona krāsnīs; 3) Nepārtrauktas darbības Hofmaņa krāsnīs; 4) Ditča (Dietsch) nepārtrauktas darbības krāsnīs jeb cepļos, kuras uzbūvēja arī Rīgas cementa fabrikā periodā no1888. g. līdz 1896.gadam (12 cepļi), un tos nomainīja tikai 1907.gadā ar rotācijas cepli un 5) "Amerikāņu sistēmas" rotējošās krāsnīs. Rotācijas krāsni portlandcemta klinkera iegūšanai pirmo reizi uzbūvēja anglijā 1877.gadā Frederiks Ransoms (Frederick Ransome), bet patentu uz rotējošu materiāla apdedzināšanas krāsni viņš izņēma 1885.gadā. Ransoma krāsns bija tikai 4572 mm gara un tās diametrs sasniedza 457 mm. Līdz ar portlandcementa augošo pieprasījumu pasaules saistvielu tirgū, auga arī rotējošo krāšņu ģeometriskie izmēri, kas ap1960-tajiem gadiem sasniedza maksimumu: garumā 237744 mm un diametrā 6400 mm.Turpmāko lielummāniju pārtrauca pasaules enerģētiskās krīzes. Tehniski šī problēma tika spīdoši atrisināta ar daudzpakāpju iepriekšēju izejmateriālu maisījuma sildīšanu un sakarsēšanu.

Klinkera apdedzināšanas krāsnisKrāsns tips Ieviešanas Krāsns galvenie parametri Enerģijas Ražība

26

autors patēriņšŠahtveida, jeb parastās krāsnis

- Augstums 8-15m; diametrs 3-7m; darbojas periodiski; 1600ºC

300 kg/t cem 400 tonnas vienā ciklā

Krāsnis ar žāvētavām, jeb Džonsona krāsnis

Džonsons Iepriekšējas žāvēšanas kanāli ar cirkulējošu gāzveida degproduktu kustību

400 kg nos. kur./t cem

100 tonnas vienā ciklā

Nepārtrauktas darbības Hofmaņa krāsnis

Hofmanis Eliptiskas formas daudzkameru krāsnis; nepārtrauktas darbības riņķveida kustības krāsnis

280 –320 kg nos. kur./t cem

10 – 12 tonnas diennaktī no vienas kameras

Ditča nepārtrauktas darbības krāsnis

Ditčs Eliptiskas formas krāsnis-cepļi, augstums 20-25m;

250 – 280 kg nos. kur./t cem

6-15 tonnas diennaktī

"Amerikāņu sistēmas" rotējošās krāsnis

F.Ransoms, 1885.gadā

Metālisks,oderēts slīps cilindrs ar garumu līdz 100m un Ø 2,5m, apgr./minūtē = 1

225 kg/t cem 20 – 25tonnas klinkera diennaktī

Moderna portlandcementa ražošanas tehnoloģiskā shēma.

27

Portlandcementu mūsdienās ražo apdedzinot pie 1450ºC temperatūras kaļķakmens un māla noteikta sastāva maisījumu rotējošās apdedzināšanas krāsnīs. Tehnoloģisko operāciju secību vislabāk izsekot pēc klātpievienotajām shēmām, kas parāda virkni izejmateriālu daudzpakāpju sasmalcināšanas un samaisīšanas operācijas. Galīgais izejmateriālu maisījums ir augstas pakāpes viendabīgs materiālu kompozīts, kas ir pietiekoši smalks, lai visas ķīmiskās reakcijas notiktu apdedzināšanas krāsnī. Visbiežāk par siltuma avotu lieto akmeņogļu vai koksa smalkni, vai arī to kombinācijas. Tāpat izmanto dabisko gāzi un šķidros naftas pruduktus. Visas rotējošās krāsnis ir oderētas ar ugunsizturīgiem materiāliem.

PORTLANDCEMENTA RAŽOŠANAS IZEJMATERIĀLIKAĻĶI

CaODZELZS RŪDAFe2O3

SILĪCIJA DIOKSĪDS

SiO2

ALUMĪNIJA OKSĪDSAl2O3

ĢIPSISCaSO4·2H2

O

MAGNIJA OKSĪDS

MgOKALCĪTS MĀLI MĀLI MĀLI ANHIDRĪTS KAĻĶAKMENSSLĀNEKLIS DZELZS

RŪDASMILTIS PELNU

PUTEKĻIKALCIJA SULFĀTS

DOMNU SĀRŅI

KAĻĶAKMENS SLĀNEKLIS SLĀNEKLIS DOLOMĪTSMERĢELIS ALUMĪNIJA

RŪDAS ATKRITUMI

ARAGONĪTS

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46