ХИМИЯ
И ТЕХНОЛОГИЯ
ЦЕМЕНТА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Б.А. УСОВ

2-е издание

Рекомендовано 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство», 
профиль «Производство и применение строительных материалов, 
изделий и конструкций» (квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва
ИНФРА-М
2016

У76

ISBN 978-5-16-011326-5 (print)
ISBN 978-5-16-102689-2 (online)
© Усов Б.А., 2015

УДК 54:69(075.8)
ББК 24:38.3я73
 
У76

Усов Б.А. 
Химия и технология цемента: Учеб. пособие. — 2-е изд. — М.: 
ИНФРА-М, 2016. — 158 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
www.dx.doi.org /10.12737/7975.

ISBN 978-5-16-011326-5 (print)
ISBN 978-5-16-102689-2 (online)

В учебном пособии кратко изложены вопросы высокотемпературной 
химии, технологии получения и применения портландцемента. Показаны 
кристаллические структуры и полиморфные формы клинкерных фаз, рас-
крыты процессы гидратации и формирования ранней структуры цемент-
ного камня с ее неизбежной активной самоорганизацией после затворения 
водой. Значительное внимание уделено рассмотрению разновидностей 
портландцемента, их свойствам и применению в технологии производства 
бетона, взаимосвязи технологии производства клинкера с последующими 
свойствами гидратированного цемента. Показана необходимость суще-
ственной доработки вяжущих и других составляющих бетонной смеси до 
окончательного перемешивания путем активации цементных и дисперсных 
систем и омагничивания  воды затворения. Приведены технологические 
схемы  активации компонентов бетонной смеси и примеры подбора со-
става бетонов. 
Для  бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 
«Строительство», профиль «Производство строительных материалов, 
изделий и конструкций».

УДК 54:69(075.8) 
ББК 24:38.3я73

Подписано в печать 23.12.2015. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 10,0. 
ППТ40. Заказ № 00000.

ТК 335600-543665-250315

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные условия производства строительных материалов и 

изделий на неорганических вяжущих опираются на глубокие знания 
физико-химических процессов твердения и условий формирования 
их оптимальной структуры.

Бакалаврам по направлению «Строительство» необходимы знания 

по управлению закономерностями производственных процессов в 
части получения оптимальной структуры материалов, в том числе 
при широкой «химизации» строительных смесей на основе 
портландцементов добавками полифункционального действия. Од-
нако при этом необходимы и знания основ прикладной химии, про-
цессов полимофного изменения основных сырьевых материалов для 
производства портландцемента, а также особенностей структурных 
превращений некоторых простых вяжущих, основных положений 
гидратации известковых, гипсовых и магнезиальных вяжущих и ме-
ханизма формирования структуры теперь весьма привычных обыч-
ных и сухих строительных смесей.

Однако поводом написания пособия стало отсутствие в норма-

тивной, методической, учебной литературе единого последователь-
ного изложения современных сведений о влиянии условий изготов-
ления и обжига портландцементного клинкера на технические свой-
ства готовых цементов в строительных растворах и бетонах и в целом 
на долговечность железобетонных конструкций. Обусловлено это, 
во-первых, сложностью процесса спекания сырьевых компонентов 
клинкера до получения кристаллических фаз с требуемыми минера-
лами и последующей оптимизацией температурного фронта крис-
таллизации (охлаждения), гарантирующего после помола термоди-
намическую неустойчивость частиц с растянутым во времени эффек-
том взаимодействия минералов и аморфного стекла с водой, 
во-вторых, отсутствием последующей управляемой технологии ре-
кристаллизации как обжиговых, так и вновь образуемых кристалло-
гидратных соединений уже в требуемой для строительства модифи-
кации структуры, в-третьих, с короткими сроками твердения.

В учебном пособии рассмотрены основы активации цементных и 

дисперсных систем, в том числе с порошкообразными наполните-
лями, для тяжелых бетонов, процессы структурообразования бетона 
с учетом их неизбежной активной самоорганизации после затворе-
ния водой, а также показана необходимость существенной доработки 

вяжущих и других составляющих бетонной смеси еще до их оконча-
тельного перемешивания

При написании учебного пособия использованы государственные 

стандарты, технические условия, СНиП, работы кафедр — техноло-
гии строительных изделий и конструкций Воронежского ГАСУ, тех-
нологии вяжущих материалов и бетонов МХТИ им Д.И. Менделеева 
и опыт вузов Санкт-Петербурга, готовящих строителей-технологов 
по указанной специальности, а также результаты лично осуще-
ствленных автором определений по исследованию влияния режимов 
помола цемента на тепловую обработку и свойства цементных бето-
нов и растворов.

Приведены технологические схемы производства активации ком-

понентов бетонной смеси и примеры подбора сотава бетонов.

ВВЕДЕнИЕ

Высокий современный уровень цементной промышленности до-

стигнут в результате опыта производства многих поколений ученых, 
техников и практиков.

В начале XIX в. англичанином Д. Аспдином в 1824 г. и москов-

ским строителем Егором Челиевым в 1825 г. получен основной про-
дукт современной цементной технологии — портландцемент. И. Ези-
оранский и Д. Заботкин (1863 г.) изложили первую научную теорию 
твердения и коррозии цемента, установив последовательность хими-
ческих процессов при твердении цементов по схеме: гидратация 
сложного известкового силиката с выделением гидрата окиси каль-
ция → переход в гидраты простых соединений окиси кальция с оки-
сью алюминия → переход гидрата окиси кальция в карбонат. Фунда-
ментальность их подтверждена крупнейшими исследователями.

В «Основах химии» Д.И. Менделеев (1868–1870), неоднократно 

обращался к вопросам химии силикатов. Его толкование: «Гидрав-
лические свойства цементов определяются тем, что в них находятся 
могущие соединяться с водой и образовывать гидратные водою не-
изменяющиеся соединения», — и в настоящее время, в век нанотех-
нологий имеет первостепенное значение для понимания основ 
теории твердения цементов.

Весьма плодотворными оказались введенные Д.И. Менделеевым 

понятия о существовании среди силикатов многочисленных соеди-
нений переменного состава и о возможности замещения глинозема 
в алюмосиликатах кремнеземом. Изучение теории твердения цемен-
тов продолжили А. Ле Шателье, у которого твердение — это процесс 
кристаллизации продуктов гидратации, и В. Михаэлис, считавший, 
что на твердение цементов основное влияние оказывают коллоидно-
химические процессы.

Академик А.А. Байков, объединив коллоидно-химические, крис-

таллизационные явления, указал на роль защитных и гидратных пле-
нок на зернах цемента. Особое значение имели исследования по 
коррозии цементов в минерализованных водах.

Работы П.П. Будникова привели к созданию ангидрито-глинозе-

мистого, бесклинкерного и других цементов. В.А. Кинд, Д.С. Белян-
кин, Н.И. Левин, Г.С. Вальберг, М.Ф. Чебуков и другие исследова-

тели решили вопросы теории, получения и применения глиноземис-
того цемента.

В.Н. Юнг создал теорию обжига портландцементного клинкера 

и предложил структуру цементного камня рассматривать как микро-
бетон с наполнителями из частично прореагировавших зерен це-
мента.

Глубокие исследования получения и твердения гидросиликатов 

кальция А.В. Волженского, Ю.М. Бутта, В.В. Тимашева, Т.В. Кузне-
цовой, Ю.С. Малинина, В.М. Колбасова и других ученых поставили 
на небывалую высоту производство высокомарочных портландце-
ментов.

ГЛаВа 1

СтРуктуРООбРазующИЕ СИСтЕмы ПРИ
ПРОИзВОДСтВЕ СтРОИтЕЛьных матЕРИаЛОВ

В настоящей главе рассмотрены процессы структурообразования 

в дисперсных системах, дано понятие о механохимических процессах 
и их применении для улучшения свойств конечного основного це-
ментного продукта — бетона. Рассмотрены вопросы диспергирова-
ния систем для получения суспензий и дана классификация добавок, 
применяемых при изготовлении вяжущих.

Подробно освещены физико-химические аспекты получения воз-

душных вяжущих строительных материалов — извести, гипса, маг-
незиальных вяжущих, а также дана классификация сухих строи-
тельных смесей и приведена схема получения дисперсных полимер-
ных порошков (ДПП). Для закрепления материала приведены 
примеры решения задач по воздушным вяжущим.

1.1. СтРуктуРООбРазОВанИЕ В ДИСПЕРСных СИСтЕмах

1.1.1. коагуляционные и конденсационные пространственные 

структуры

Большинство строительных материалов (бетоны, известь, гипс, 

цемент, керамика и т.д.) представляеют собой грубодисперсные сис-
темы с размером частичек 100 мкм (1 мкм = 1∙10–6 м). Дисперсные 
системы разделяют на две большие группы — свободнодисперсные
(неструктурированные) и связнодисперсные (структурированные). 
Первые обладают текучестью, т.е. частицы дисперсной фазы не 
имеют контактов, распределены в дисперсионной среде, участвуют 
в беспорядочном тепловом движении и свободно перемещаются под 
действием силы тяжести. Структурированные (связнодисперсные) 
системы образуются при контакте частиц дисперсной фазы, образуя 
структуры в виде каркаса или сетки. Такая система не обладает теку-
честью и сохраняет форму.

В материалообразовании на основе дисперсных систем различают 

два типа пространственных структур, названных П. Ребиндером ко-
агуляционными и конденсационными структурами. В коагуляцион-
ных структурах контакт между частицами осуществляется через 
очень тонкие прослойки дисперсионной среды (рис. 1.1, а) или то-
чечные контакты (рис. 1.1, в) или при участии макромолекул 
(рис. 1.1, б). Конденсационные структуры возникают как результат 
склеивания, сваривания, срастания частиц дисперсной фазы на от-
дельных участках поверхности (рис. 1.1, г).

На первых этапах коагуляционного взаимодействия возникают 

агрегаты из двух, трех или цепочки первичных дисперсных частиц. 
Коллоидный раствор сохраняет текучесть, так как развитие струк-
туры не дошло до образования сетки (как бы скрытая коагуляция). 
Дальнейший рост агрегатов приводит к образованию коагулята (се-
димента) или геля.

Возникает твердообразная коагуляционная структура, которая 

может быть плотной (рис. 1.2, а) или рыхлой (рис. 1.2, б).

Свежеполученные коагуляты способны часто переходить в со-

стояние золя. Такой изотермический переход коагулят → золь назы-
вают пептизацией, а вызывающие его вещества — пептизаторами. 
Пептизаторы, их считают еще стабилизаторами дисперсных систем, 
могут быгь веществами как ионной (электролиты), так и молекуляр-
ной природы. Адсорбируясь на поверхности первичных частиц, пеп-

а)
б)
в)
г)

Рис. 1.1. Виды контактов в пространственных дисперсных структурах:

а, б — коагуляционные с низкомолекулярными сольватными (а) и 

высокомолекулярными (б) слоями; в — точечные контакты; г — фазовые контакты

а)
б)

Рис. 1.2. Связнодисперсные системы:

коагулят с плотной (а) и рыхлой (б) «арочной» структурой

тизаторы ослабляют взаимодействие между ними, приводя к распаду 
агрегатов и переходу коагулята в состояние золя.

С пептизацией часто встречаются, если промывают на фильтре 

свежеполученные осадки сульфидов и гидроксидов металлов дистил-
лированной водой. Благодаря промыванию водой концентрация 
электролитов уменьшается, и структура двойного электрического 
слоя изменяется. При этом часть противоионов переходит из адсорб-
ционного в диффузный слой, и величина электрокинетического 
ξ-потенциала возрастает. Осадок гидроксида или сульфида на филь-
тре при этом пептизируется и, уменьшаясь, проходит через поры 
фильтра в виде золя.

Со временем пептизируемость коагулятов понижается благодаря 

развитию точечных контактов между первичными частицами. Про-
исходит упрочнение коагуляционных структур, или так называемое 
старение коллоидов. Возрастающая агрегация частиц дисперсной 
фазы, уменьшает их число, степень гидратации, сокращает поверх-
ность раздела между фазами и снижает адсорбционную способность.

Однако прочность коагуляционных структур незначительна, так 

как сетчатый каркас из дисперсных частиц удерживается лишь за 
счет слабых межмолекулярных сил, определяющих существование 
вещества в виде жидкостей и молекулярных кристаллов.

Поэтому для коагуляционных структур характерно явление тик-

сотропии (от греч. thixis — прикосновение и trope — изменение), при 
котором происходит разрушение структуры с переходом в текучее 
состояние за счет механических воздействий и, наоборот, самопро-
извольное восстановление структуры, как бы отвердевание в покое.

Тиксотропность может быть полезным свойством. Например, 

масляные краски, будучи сначала разжижены механическим воздей-
ствием в результате тиксотропного структурирования, не стекают с 
вертикальных поверхностей.

При интенсивном преобразовании коагуляционных контактов в 

точечные с потерей пластичности высушивается материал, проч-
ность быстро возрастает. Однако последующее оводнение такого 
материала (например, керамической массы, глины, бумажной 
массы) приводит к обширному его размоканию и набуханию и, как 
правило, к необратимому понижению прочности.

Конденсационные дисперсные структуры в зависимости от меха-

низма возникновения фазового контакта (см. рис. 1.1) разделяют:
• на структуры спекания (срастания);
• кристаллизационные структуры твердения.

Структуры спекания образуются при сварке, сплавлении, спека-

нии или склеивании дисперсных частиц в точках касания. При тер-
мической обработке коагуляционной структуры частицы дисперсной 
фазы «свариваются» в местах точечных контактов. Такое явление 

характерно для ряда адсорбентов (алюмогель, силикагель), которые 
вследствие своей рыхлой структуры достаточно хрупки.

С повышением плотности упаковки дисперсных частиц коагуля-

ционные структуры в точках спекания приобретают высокую проч-
ность и часто жаростойкость. Таковы композиции из металла и ту-
гоплавкого оксида металла, например, спеченный алюминиевый 
порошок (САП). На алюминиевый порошок при этом постепенно 
наращивают тонкую оксидную пленку и спекают под давлением. 
Структура САП представляет собой каркас из пленки Аl2О3 толщи-
ной 10–20 нм с ячейками, где зерна алюминия сохранены с частич-
ными контактами между ними.

Таким образом, конденсационные структуры представляют собой 

непрерывные каркасы дисперсной фазы и дисперсионной среды, вдвину-
тые друг в друга и не потерявшие дисперсности.

Конденсационную структуру возможно получить конденсацией 

дисперсной фазы из пересыщенных растворов или расплавов. При 
образовании и росте зародышей новой фазы из концентрированных 
пересыщенных систем может возникнуть непрерывный сетчатый 
каркас путем срастания и переплетения растущих частиц дисперсной 
фазы. Если эти частицы представляют собой кристаллы, то возника-
ющие структуры называют кристаллизационно-конденсационными 
структурами твердения.

Сцепление элементов конденсационных структур осуществляется 

путем образования химических связей, что обусловливает значитель-
ную их прочность. Конденсационные структуры нетиксотропны и 
непластичны, это упруго-хрупкие, необратимо разрушаемые струк-
туры, в отличие от тиксотропно-обратимых коагуляционных структур.

1.1.2. механохимические процессы

Область науки, изучающая физику и химию (или физическую хи-

мию) процессов деформирования, разрушения и образования мате-
риалов и дисперсных структур, называется физико-химической меха-
никой твердых тел и дисперсных структур или механохимией. Меха-
нохимия находится на стыке таких наук, как коллоидная химия, 
молекулярная физика твердого тела, механика материалов. Одним из 
важнейших направлений физико-химической механики является по-
вышение качества, прочности строительных материалов и изделий из 
них, благодаря чему достигается снижение массы, увеличение срока 
службы изделий, уменьшение расхода материалов на их изготовление 
и в целом повышается экономическая эффективность производства.

Механохимические превращения обусловлены переходом веще-

ства в метастабильное химически активное состояние, а также ин-
тенсификацией массопереноса в результате поглощения механиче-