Портланд цемент үйлдвэрлэх нь шохойн чулуу ба шавар — Орчин үеийн ертөнцийг бүтээсэн материал

P100 тоосны амьсгалын хамгаалалтын маск, химийн шингэн сачрахаас хамгаалах нүдний шил, хүнд үүрэглэлтийн нитрил бээлий, лабораторийн хувцас өмсөөрэй. Шохойн зууханд ажиллах үе шатанд 500 °C-аас доошгүй халуунд тэсвэртэй бээлий нэмж өмсөөрэй. Цементийн нунтаг нь хүчтэй шүлтлэг (pH 12–13) бөгөөд арьстай удаан хугацаагаар холбогдвол химийн түлэлт үүсгэдэг — "цементийн түлэлт" нь мэдэгдэж буй ажлын байрны аюул юм. Шохойн чулуу болон шаврын тоос нь амьсгалын замын цочроогч юм. Зууханд ажиллах үед гадаа эсвэл сайн агааржуулсан газарт ажиллаарай.

Нунтагласан шохойн чулуу (кальцийн карбонат, CaCO₃) 60 г жинлээрэй. Сэрээ дотор нарийн нунтаг болтол зүйрлэн нунтаглаарай — шохойн чулуу нарийн байх тусам өндөр температурт шавартай илүү бүрэн урвалд орно. Портланд цемент нь жинээр ойролцоогоор 3:1 харьцаатай шохойн чулуу:шавар шаарддаг. Шохойн чулуу шатаасны дараа кальцийн исэл (CaO) үүсгэдэг бөгөөд энэ нь цементийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг бөгөөд эцсийн бүтээгдэхүүний ойролцоогоор 65%-ийг эзэлдэг.

20 г шавар жинлэнэ — энгийн шаазан шавар, тоосгоны шавар, эсвэл каолин бүгд тохиромжтой. Шавар нь цементийн ~20%-ийг эзлэх силик (SiO₂) болон цементийн ~5%-ийг эзлэх глинозём (Al₂O₃), түүнчлэн флюс болж үйлчилдэг бага хэмжээний төмрийн исэл (Fe₂O₃)-ийг өгдөг. Хэрэв шавар чийглэг бол эхлээд 100 °C-т хатаагаад, дараа нь нарийн нунтаг болтол нунтагла. Шаврын тоосонцор шохойн чулуутай нягт холилдох ёстой — Аспдины анхны процессд энэ нягт холилдолтыг хүрэхийн тулд түүхий эдийг нойтон тээрмээр хамт нунтагласан.

Нунтаглsан шохойн чулуу болон шаврыг сав дотор нэгтгэж, 10 минутын турш сайтар нунтаглана. Нимгэн жижиг хэмжээний ус нэмж зузаан зуурмаг үүсгэ — энэ нь бөөмийн түвшинд нарийн холилтыг хангахад тусалдаг. Зуурмаг өнгөөрөө нэг жигд байх ёстой, цэвэр цагаан шохойн чулуу эсвэл цэвэр саарал шаврын харагдахуйц судал байх ёсгүй. Энэ 'түүхий нунтаг' нь цементийн клинкерийн урьдач бүтээгдэхүүн юм. Орчин үеийн цементийн үйлдвэрүүдэд түүхий материалыг 90 микрон торны нүхээр 90% нь нэвтрэх нарийн хэмжээнд нунтаглана — холилт илүү сайн байх тусам зууханд урвалын явц бүрэн явагдана.

Нухсан зуурмагийг диаметр нь ойролцоогоор 1–2 см байх жижиг бөмбөлөг болгон бөөрөнхийлнө. Эдгээр бөмбөлгүүд шатаах явцад агаар эргэлдэж, бүх хэсгийг жигд халаахад тусална. Хэрэв зуурмаг хэт чийглэг байвал зууханд ачихаас өмнө гадаргууг бага зэрэг хатаа. Аспдины үед түүхий хольцыг зууханд ачихад зориулж тоосго хэлбэрт оруулдаг байв. Орчин үеийн эргэдэг зуухнууд нарийн нунтагын тасралтгүй урсгал хийдэг боловч лабораторийн хэмжээний суурин зууханд бөмбөлгүүд сайн ажилладаг.

Гулилтуудыг халуунд тэсвэртэй гадаргуу дээр тараан 100–150 °C-т 1–2 цаг хатаана, бүрэн хатах хүртэл. Үлдэгдэл чийг нь гулилтуудыг зуухны температурт хүрэхэд уурыг тэсрэх байдлаар үүсгэж, тэдгээрийг хагарч хуваагдахад хүргэнэ. Хатаасан гулилтууд хатуу, хөнгөн мэдрэгдэх ёстой — нойтон үеийнхээс мэдэгдэхүйц хөнгөн. Энэ шат нь орчин үеийн цементийн үйлдвэрийн урьдчилан халаагчтай тохирч байна, энд түүхий нунтаг нь эргэдэг зуухад орохоос өмнө хатаагдаж, урьдчилан халаагдана.

Хатаасан гулдмэйг гүн галд тэсвэртэй шавар тигельд сул дарж бэлтгэнэ. Хатуу бүү дарна — жигд халаалт хангаж, шохойн чулуу задрахад үүссэн CO₂ гарч чадах ёстой. Тигелийн дээр халаалтыг хадгалж, хийн гарцыг зөвшөөрөх сул таарсан таглаа тавина. Тигель доод тал нь 1100 °C-д тэсвэртэй байх ёстой — галд тэсвэртэй шавар эсвэл графит-шаврын тигель тохиромжтой.

Тигелийг нүүрсний зууханд байрлуулж, температурыг гэрэлтэй улбар шар халуун хүртэл — 900–1000 °C хүртэл өсгө. Энэ температурт гурван зүйл дараалан болно: эхлээд талын талстжилтын ус шавраас гадагшилна (~200–600 °C). Хоёрдугаарт, шохойн чулуу квицлайм болж задарна: CaCO₃ → CaO + CO₂ (~700–900 °C). Гуравдугаарт, квицлайм шавраас гарсан цахиур ба хөнгөнцагаatай урвалд орж кальцийн силикат үүсгэнэ: 2CaO + SiO₂ → Ca₂SiO₄ (белит). Урвалыг бүрэн явуулахын тулд оргил температурт 2 цаг байлгана.

Тигелийг зууханаас гаргаж, хэдэн цагийн турш — тохиромжтойгоор шөнөжин — аажмаар хөрөхийг зөвшөөр. Хурдан хөргөлт (уусгах хөргөлт) кальцийн силикатуудын талст бүтцийг өөрчилж, цементийн тогтвортой шинж чанарыг бууруулж болзошгүй. Хөрсөн бүтээгдэхүүн нь 'клинкер' бөгөөд анхны бааз цагаан гулгуур гулгуураас ялгаатай, хатуу, бараан саарал-ногоон зангилаа юм. Клинкер нь нягт, шилэн (шиллэг) байх ёстой, нунтаг эсвэл шохойн шинжтэй биш — хэрэв амархан нурвал зууханд температур хангалтгүй байсан гэсэн үг.

Клинкерийг чулуун цохиур эсвэл хүрз-харх ашиглан жижиг хэсгүүдэд хуваа. Портландцементийн клинкер маш хатуу — анхны шохойн чулуунаас ч хатуу — учир нь өндөр температурт үүссэн кальцийн силикатууд хатуу, талстжсан эрдэс юм. Орчин үеийн цементийн үйлдвэрүүдэд клинкерийг процессын бусад алхамаас илүү цахилгаан зарцуулдаг том бөмбөгт тээрмүүдээр нунтагладаг. Лабораторийн хэмжээнд хүрз, мөргөөрөгөөр эрчимтэй ажиллавал ашиглах боломжтой нарийн түүдэг үүснэ.

3 г гипс (кальцийн сульфат дигидрат, CaSO₄·2H₂O) жинлээд хайрсан клинкерт нэмнэ. Хамтад нь нарийн, жигд саарал нунтаг болтол нунтаглана. Гипс маш чухал — үүнгүйгээр клинкер дэх трикальцийн алюминат (C₃A) ус биш маш богино хугацаанд урвалд орж, 'флэш сет' буюу гэнэтийн хатуурал үүсгэдэг; ингэснээр цемент холих, хийх боломжгүй болтол хатуу буланд хувирна. Гипс C₃A-тай илүү түрүүлж урвалд орж, C₃A-ийн гадаргууг бүрхэж, тохиромжтой 30–60 минутын хатуурлыг хангах эттрингит үүсгэдэг. Орчин үеийн портланд цемент 3–5% гипс агуулдаг.

20 г бэлэн цементийн нунтгийг 10 мл усанд холиж зузаан зуурмаг үүсгэнэ. Зуурмаг дор хаяж 15–30 минут ажиллах боломжтой байх ёстой — хэрэв тэр даруй хатаж эхэлбэл (flash set) илүү гипс хэрэгтэй. Зуурмагийг жижиг хэвэнд шахаж эсвэл бөмбөлөг хэлбэрт оруулаад одоохондоо тавина. Зөв хийгдсэн гидравлик цемент 1–2 цагийн дотор хатаж эхэлж (анхны хатуурал) дараагийн хоногуудад бат бөх болдог. Тодорхойлох туршилт: цементийн бөөгнөрлийг усанд тавина. Шохойн зуурмаг уусдагтай адилгүйгээр Портланд цемент UNDERWATER хатдаг — энэхүү гидравлик хатуурал нь үүнийг боомт, суваг, суурийн хувьд хувьсгалт болгосон юм.

Үлдсэн цементийн нунтгийг битүү таглаатай шилэн сав руу шилжүүлнэ. Шошго: PORTLAND CEMENT, огноо, ALKALINE/IRRITANT. Заавал хатуу хуурай газар хадгална — цемент агаарын чийгийг шингээж, хэрэв өртвөл хэсэгчлэн гидратжиж, бат бэх чанараа алдана. 80 г анхны холимгаас хүлээгдэж буй гарц: ойролцоогоор 50–55 г бэлэн цемент (масс алдагдал нь шохойн чулуунаас гарсан CO₂ юм). Жозеф Аспдины 1824 оны патент нь орчин үеийн ертөнцийг бүтээсэн материалыг бий болгосон — бүх далан, гүүр, туннель, үүлэн баганад шохойн чулуу ба шавранг шатаахад үүсэх кальцийн силикатын химийн шинж чанарт тулгуурладаг.