Здравствуйте, уважаемые читатели моих статей. Предлагаемый сегодня мною текст является выдержкой из книги Значко-Яворского "Очерки истории вяжущих веществ". Я решила, что любопытствующие из чтения этого текста смогут понять, как и чем занимались учёные времени конца 18-го - начала 19-го веков, как развивалась наука строительных материалов, а любознательные смогут вникнуть с технологию производства цемента, открытую Егором Челиевым и практически ставшую фундаментом производства цемента в нашей стране. Нужно также сказать, что современный цемент был изобретён практически одновременно и независимо друг от друга сразу двумя учёными: англичанином Аспдиным и Егором Челиевым. Поднятие архивных документов показало, что Челиев даже опередил англичанина на практике, но опубликовал книгу лишь в 1826 году.
"В 1825 г. Егор Герасимович Челиев, «начальник Московской Военно-рабочей бригады мастерских команд второго разряда, шестого класса и кавалер» издал «по опыту произведенных в натуре строений» труд, обобщивший опыт производства и применения цемента в связи с восстановительными работами в Москве.[1] Труд этот имеет название «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений, как-то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений». «Книгу сию рассматривал» и «дозволение печатать» ее подписал 2 ноября 1825 г. от Цензурного комитета профессор технологии Московского университета доктор физико-математических наук Федор Алексеевич Денисов.
Рис. 36. Титульный лист книги Е. Челиева.
В этом небольшом по объему труде, содержащем 28 страниц текста и две таблицы чертежей, автор, наряду с описанием опытов и практики цементного производства, затрагивает также вопросы теории и экономики производства. Работа содержит предуведомление и разделы: составление мертеля, или цемента, употребление мертеля, объяснение прилагаемых рисунков и общее примечание к составлению предложенных мертелей.
Ввиду большого значения труда Челиева для развития техники производства и применения цемента следует остановиться на этом труде подробнее.
В «предуведомлении» Челиев пишет: «Способы составлять мертель или цемент весьма различны; но ни один из них не имеет тех выгод, какие предлагаются в настоящем сочинении. Ныне употребляемый раствор извести с песком чистым, менее смешанным с земляными частями, обходится несравненно дороже предлагаемого в сем сочинении мертеля, который, не требуя сих предосторожностей, в деле выходит много лучше, не распадается на воздухе и от времени крепчает в воде так, что напоследок превращается в совершенный известковый камень. А потому утвердительно можно сказать, что прочность мертеля, составляемого по описанным здесь правилам, окажется на самом опыте, и, вероятно, употребление его распространится не только для подводных строений, но и для прочих, смотря по местным положениям. А сие и было причиною издания предлагаемой книжицы».
Прежние «мертели — растворы извести с песком, толченой черепицей или кирпичной мукой» Челиев предлагает заменить новым мертелем, или цементом, точнее цементным тестом. Для изготовления своего цемента он составлял искусственную сырьевую смесь из извести (или известняка) и глины в пропорции, зависящей от состава исходных компонентов и устанавливаемой предварительными испытаниями. Смесь подвергалась обжигу, продукт которого после измельчения и просеивания и являлся мертелем, или собственно цементом.[2]
В качестве сырьевых материалов Челиев рекомендует тощую (в том числе обыкновенную красную, кирпичную, «весьма к сему способную») глину и «известь мель, которая совершенно от воздуха и дождей распустилась, и для строений почитается не весьма выгодною; но для мертеля оная годна, и нет надобности употреблять известь круховую [кипелку], которая обыкновенно продается дороже».[3] Вместо извести — мели в качестве известкового компонента сырьевой смеси Челиев называет также «мусор стенной и штукатурный», под которыми понимает «старую смазку [т.е. раствор] или штукатурку от разломанных каменных или деревянных строений», содержащую гашеную известь, в той или иной мере карбонизированную в процессе первоначальной службы.
Челиев разъясняет, почему во всех указанных случаях он использует ранее обожженную, гашеную и в той или иной степени карбонизированную известь, которую вторично обжигает с глиной, вместо непосредственного применения исходного известняка, как это общепринято в современном цементном производстве.
«В заключение сего должно объяснить, что делание описанным образом мертеля производится из извести уже обозженной; а посему во избежание убытка в дровах на сие употребляемых, для чего не употребить бы в делание сего мертеля самый известковый камень, дабы чрез то уменьшить издержки? И действительно, ежели б возможно было известковый камень перетолочь и привести в мелкой порошок с меньшею издержкою, например: когда взять для сего одну кубическую сажень камня, и посредством машины или другими какими способами истереть в мелкой порошок, для теснейшего соединения с глиною необходимый, тогда будет видно, что на сие потребуется больших трудов и издержек, нежели для выжигания извести: Ибо на последнее надобно дров для одной кубической сажени камня, не более двух таковых же сажень, кои стоют в Москве около 30 рублей; а там, где жгут известь, конечно гораздо дешевле; и притом столь тонкого порошка, какой потребен для теснейшего соединения составных частей мертеля, никаким толчением и сеянием произвести невозможно, как чрез погашение вызженной извести водою» (стр. 19—20).
Образующаяся при гашении пушонка ко времени использования в производстве цемента в значительной мере снова превращается в исходный карбонат, сохраняя, однако, состояние тонкого измельчения (мель) или способность легко разбалтываться в воде (мусор).[4]
Относительно состава (шихты) сырьевой смеси Челиев пишет (стр. 8—9): «Сдесь предлагаются опыты, по которым мертель делан в в Москве из извести, вызженной из Мячковского камня и которая была на воздухе более десяти лет, и глины кирпичной, а также мусоров стенного и штукатурного, взятых от сломки Кремлевского Арсенала, и найдена надлежащая пропорция по нижеследующему размеру:
Челиев подробно освещает состав сырьевой смеси и все детали производства и применения своего цемента, всемерно содействуя «распространению его употребления».
На полях девятой страницы книги Челиева, хранящейся в Библиотеке бывш. Института Корпуса инженеров путей сообщения (ЛИИЖТ им. акад. В. Н. Образцова), в связи с приведенными Челиевым соотношениями сырьевых компонентов чернилами сделана любопытная помета:
Приведенная помета расшифровывается Шарлевилем следующим образом: «Часть I. Выводы из экспериментальных исследований Вика. Пропорции извести и глины, замеряемые в порошке. Для обычной жирной извести берут пятую часть глины. Для средней извести берут седьмую—десятую часть глины. Для тощей извести, уже имеющей некоторые гидравлические свойства, достаточно пятнадцатой части глины. С увеличением содержания глины до одной трети, до половины от количества обычной извести, получающаяся в результате известь больше не гасится, но легко измельчается в порошок и — превращенная в тесто — очень быстро твердеет под водой, часто для этого достаточно нескольких часов».[5]
Дороговизна и несовершенство механического измельчения известняка вынудили Челиева применить известняк, измельченный химическим способом обжига и гашения. Позднее, в связи с твердостью местного плотного известняка, первый в России Гродзецкий портландцементный завод (1857 г.) длительное время также применял вместо известняка гашеную известь. В последние годы И. В. Смирнов предложил использовать в портландцементной сырьевой смеси гашеную известь, подвергающуюся в процессе подготовки шихты гидратационному твердению.
Таким образом, по Шарлевилю (Вика), из трех продуктов обжига приведенных им смесей обычной жирной извести и глины состава 5:1, 3:1 и 2 : 1 гашению поддается только первый, а остальные два уже не гасятся. По теперешнему представлению предел гасимости обожженных известково-глинистых смесей соответствует отношению извести к глине — около 2. 3 : 1—2 : 1 (продельная гидравлическая известь).
Автор пометы, возможно один из преподавателей Института того времени, по-видимому, имел в виду обратить внимание читателей на значительно меньшее, чем в смесях Вика—Шарлевиля содержание извести (и большее — глины) в сырьевых смесях Челиева, в которых отношение известкового компонента в виде карбоната к глине составляло 1 : I.[6]
Сравнение карбонатно-глинистых смесей Челиева и известково-глинистых Вика и Шарлевиля в данном случае вполне оправдано. Если весовое содержание окиси кальция в карбонате и составляет 56 % (а в пушонке 76%) от количества ее в исходной кипелке, то при объемном дозировании сырьевых компонентов это уменьшение количества CaO (в связи с карбонизацией) с избытком компенсируется большим объемным весом карбонизированной извести, чем кипелки. Поэтому приведенное Челиевым отношение известкового компонента к глине в его смесях можно распространить и на сырьевую смесь из извести (кипелки) и глины.
В дальнейшем в сметных расчетах Челиев указывает, что для изготовления 1 саж.2 (9.712 м2) мертеля № 1 расходуется 0.5 саж.2 (4.856 м2) глины и 12 двадцатипудовых бочек (5.9 м2) извести. Исходя из характеристики свежевынутой лопатами из грунта тощей подмосковной кирпичной глины (об. вес 1600 кг/м2, содержание влаги и потерь при прокаливании 30%, количество балластного крупного песка 30%), [7] можно установить, что на 3931 кг извести приходится 3807 кг реакционно-способного вещества глины. Таким образом, весовое отношение извести к глинистой части вяжущего вещества мертеля № 1 также составляет 1 : 1, а основной модуль его равен 1.
Это уже характеризует вяжущую часть мертеля Челиева как гидравлический продукт, не поддающийся гашению и по современной номенклатуре приближающийся по составу к романцементу.
Процесс производства («составление») мертеля или цемента Челиев описывает следующим образом.
«Избрав из сих пропорций по желанию, должно глину с известью или мусором смешать в твориле вместе, размоча водою до такой густоты, чтоб удобно было лопатами оную размешивать и соединять между собою, и дав ей несколько поокрепнуть, делать из оной кирпичи, набивая в формы, и поступать так точно в делании и высушивании оных, как с обыкновенными кирпичами. «Сии высохшие кирпичи вносятся в горн и настилаются елкою, как и обыкновенные. Наполня же ими горн, закладывается вход в него обыкновенным кирпичем и замазывается глиною, оставя небольшое для наблюдения отверстие, которое хотя закладывается кирпичем, но не замазывается для того, чтоб по надобности, удобно было его вынимать и в горн смотреть.
«Обжигание мертеля продолжается, смотря по мере осушения его в сырце. Ежели он совершенно будет сух, тогда надобно сперва разложить огонь в самых челах печи, небольшим костром, и продолжать обжигание до 8 часов. Когда ж в челах нагорело достаточно угольев, то оные должно раздвинуть по всей печи и накидать по сторонам оной, а также и в средину несколько поленьев дров нарочно для сего сделанною кочергою, продолжая сие обжигание средним огнем, подкидывая кочергою дрова в те места, где нужно также до 8 часов времени; и когда весь цемент начнет прогорать, верхние ряды его покраснеют и сквозь их пройдет огонь, что удобно видеть чрез оставленное при закладке входа в горн небольшое отверстие, тогда надобно дров подкидывать более по всей печи, и поленья употреблять тонее прежних; к концу же обжигания употреблять мелко исколотые сухие дрова, дабы чрез то усилить до высшей степени огонь и мертель раскалить до бела: на сие также потребно времени до 8 часов.
«После сего заложить кирпичем поддувала и, замазав глиною, засыпать их землею, трубу также заложить [от дождя] железным листом; а чтоб иногда не сдуло его ветром, то наложить несколько кирпичей или довольно тяжелый камень. Для простывания же мертеля довольно 48 часов времени или до того, как удобно уже будет простыми руками его выбирать.
«По остынутии, выбрав из горна мертель, должно перемять его жерновным камнем, приводимым в движение лошадью, просеять сквозь проволочные решета или грохоты, складывать потом в бочки или лари, и хранить до времени, когда понадобится для употребления. Оставшиеся же от просеяния камешки, кои не размялись и, следовательно, нехорошо пережглися, отделять особо; ибо оные быв смочены водою, с пользою употребиться могут на заливку бута, и заменить употребляемые для сего известь и песок», т. е. обычный известково-песчаный раствор (стр. 9—12).
В «Общем примечании к составлению предложенных мертелей» Челиев останавливается на наиболее существенных деталях производственного процесса.
«Описанные мертели № 1, 2 и 3 для прочности своей требуют сих необходимых наблюдений, а) Раствор глины с известью или мусором приводить сколько возможно в теснейшее соединение, перемешивая материалы сии железными или деревянными лопатками весьма тщательно, чему доставить может лучшую удобность, жидкое разведение оных материалов водою. А чтоб из раствора сего удобно было делать мертельные кирпичи, для сего должно оставить его на некоторое время в творилах, чтоб излишняя влага выпарилась, и смесь сия получила потребную к деланию мертельных кирпичей густоту. Глину употреблять должно тощую, а не жирную; за неимением же первой, и по мере тучности последней, прибавлять в раствор мелкого песку.
«b) Мертельные кирпичи просушивать до совершенства; если же обжигаться будут не очень высохшие, то хотя от сего мертель в качестве своем и не изменяется, но на обжигание его потребуется более времяни и дров, а потому и излишних издержек, с) При обжигании мертеля рачительно наблюдать, чтоб в последних 16 часах, огонь поддерживаем был постоянно и с постепенным его усиливанием; к окончанию же обжигания в последних двух часах накидывать в печь дрова самые сухие и топкие, равняя огонь но всей печи, и чтоб проходил он сквозь обяшгаемый мергель везде равно; и так его содержать, чтоб к концу обжигания произвести сильнейшую степень жара, дабы мертель раскалить добела» [8] (стр. 24—25).
В другом месте Челиев отмечает, что «металлические окиси в глине находящиеся... от жжения плавятся в стекло» (стр. 18), что обусловливает частичное спекание обжигаемого цемента. Исходя из практики керамического производства и эмпирических данных визуальной оценки температуры по окраске света, излучаемого нагретым предметом, следует считать, что Челиев в конце кампании обжига доводил температуру в печи до 1100-1200°.
«Жерновный камень для перемятая обозженного мертеля» (д) диаметром 1.25 арш. (0.9 м) соединен осью В с вколоченным в сваю в центре круга шкворнем Д и приводится лошадью в движение но круговой дорожке. «То место, по которому катится камень, набивается небольшими свайками с насадками, забучивается щебнем с заливкою раствором извести смешанной с песком, или оставшимся от просеивания крупным мертелем разведенным водою, и потом выстилается лещадью дикого камня или толстыми досками, прибитыми к поперечным насадам железными гвоздьями. Дорожка сия должна быть шире толщины камня одним аршином [0.7 м]; на оную кладутся обозженные мертельные кирпичи, по которым катится камень, и их раздавляет; а работник, идя позади камня, подправляет оные на средину дорожки деревянного или железною лопаткою» (стр. 7, 22, 23).
Для разъяснения химической сущности процессов производства и применения цемента Челиев приводит ряд теоретических представлений. Так как исходные сырьевые материалы «бывают в собственном их составе весьма различны, как-то известь содержит в себе кварцовые или песчаные части, и более или менее алкалична; красная глина также состоит из смешения квасцовой земли [глинозем], песку, железной окиси и других посторонних вещей; а потому надобно оные предварительно испытать в пропорции, сколько которой к составлению мертеля употребить должно»
«По химическим исследованиям известно, что негашеная известь растворяет кремнистую землю [т. е. кремнезем, в данном случае песок] посредством жидкости, и из того составляется мертель [известковый раствор], доброта коего зависит от соразмерного смешения оной с песком и от степени угашения ее прежде смешения; и всем известно, что круховая известь чем скорее по обозжении употребляется в дело, тем строение почитается прочнейшим: ибо оная имеет тогда более силы для распущения песка, и следовательно большую возможность с ним теснее соединяться.
«Известно также, что известь соединяется таким же образом и с глиною, либо искусством, либо в огнедышущих горах перезженною, и составляет с нею мертель [известково-пуццолановый раствор]. На сем основании утвердясь, делаем ныне для подводных строений мертель из извести, толченой черепицы, или хорошо обозжепного кирпича, зная совершенно, что все достоинство его [т. е. мертеля] зависит от извести: ибо чем менее она погашена до времени соединения ее с кремнистою землею, тем мертель бывает лучше.
«Когда растворим известь до совершенного ее распущения и так, что на одну ее часть нальем 680 частей воды, тогда получив так сказать известковую воду (Aqua calcis), можно уже быть уверену, что известь совершенно распустилась.
«При перегонке же известковой воды в закупоренных сосудах, негашеная известь остается в оных, и требует только большей степени огня, чтоб отделить от нее последние части воды, а с ними вместе и угольную кислоту.
«Основываясь на вышеписанных опытах, все что нужно к прочности предлагаемого мертеля само собою ясно доказывается. Ибо когда употребим известь, угашенную водою или воздухом, смешаем оную с глиною, которая соединена с кремнистою землею (песком) и металлическими окисями, и смесь сию подвергнем жжению, посредством коего известь лишаем поглощенной ею воды; тогда оная получает первую степень алкаличности, и всю возможность при новом погашении ее водою, к растворению кремнистой земли и к соединению с нею, то есть с песком и металлическими окислами в глине находящимися; ибо оные от жжения плавятся в стекло; а потому нет никакого сомнения, чтобы сей предлагаемый мертель не был лучшим, и не мог с большею пользою заменить ныне употребляемых мертелей и цементов как для подводных, так и для других строений» (стр. 16 —19).
Челиев считает, что окись кальция извести взаимодействует с кремнеземом и окислами металлов глинистого компонента не в процессе обжига сырьевой смеси, а только при затворении цемента водой. Это неправильное представление, характерное для того времени, справедливо только для неусвоенной в процессе обжига свободной извести и для безобжиговых известково-пуццолановых вяжущих. Основанное, по-видимому, на традиционной практике работы на безобжиговых известково-пуццолановых цементах, оно было механически перенесено и на новые цементы, обжигаемые из известково-глинистых смесей. Однако, несмотря на это, в дальнейшем такое представление довольно долго продолжало оставаться основой упоминавшейся ранее (стр. 227) так называемой пуццоланической теории твердения всех гидравлических вяжущих веществ. Как упоминалось, еще в 1869 г. А. Р. Шуляченко опровергал эту теорию, полемизируя с Эдмоном Фреми.
«Употребление мертеля» Челиев описывает так: «Сделав под навесом творило, из досок плотно сколоченных, надобно насыпать в оное смятого и просеянного мертеля несколько поменьше половины, и налив водою, размешивать так, как обыкновенно растворяют известь, и оставить на сутки или и более в покойном состоянии, дабы мертель совершенно распустился, и потом несколько затвердел. А когда должно будет употреблять его в дело, то вынув часть мертеля из творила в верстак,[9] разбивать его лопатками и толкушками как можно более, чтоб пришел от сего, без подливания воды, в жидкое состояние, и тогда уже смазывать им камни для производимых подводных и других строений» (стр. 12—13).
Для употребления Челиев обрабатывает свой мертель непосредственно' водой без добавления в тесто песка, который вводится в известковое тесто при составлении обычного известкового раствора. В данном случае песок заменяется содержащимися в мертеле твердыми мелкими зернами спекшейся ошлакованной массы («камешками»)[10] и крупными зернами балластного песка, вносимого тощей глиной. Описанная Челиевым обработка мертеля водой — предварительная его гидратация — приводит к гашению остаточной свободной извести и к подготовке теста для последующего использования в деле. Придание заготовленному, схватившемуся тесту текучести и удобообрабатываемости посредством механического' «разбивания без подливания воды» основано на явлении тиксотропии — прием, известный и в современной практике.
Комментарии:
1 - Сын отставного секунд-майора Грузинского гусарского полка Герасима Давидовича Челеева, происходившего из грузинских дворян, Е. Г. Челиев родился 19 мая 1771 г. в Саратовской губернии. С 1797 до 1817 г. последовательно был уездным землемером и стряпчим Казенной управы в Саратове, межевым землемером и генеральным землемером 1 класса в Москве. В 1792—1793 гг. он проходил военную службу в Преображенском полку, откуда был уволен армии подпоручиком. С 1817 по 1829 г. Челиев состоял в Комиссии для строений в Москве в должности директора чертежной, а затем .— начальника мастерских команд Военно-рабочей бригады и уделял много внимания гидротехническому строительству.
Не получив специального образования, он, как сообщается в его формулярном списке 1825 г., «знает арифметику, геометрию, артиллерию, фортификацию, опытную физику, химию, механику, ятавопись, скульптуру и гражданскую архитектуру . . . иностранных языков не знает . . . имеет способности ума хорошие». Помимо труда о цементе, Челиев издал книги «Прожектированпый план столичного города Москвы» [430], «Экспликация к прожектироваиному плану столичного города Москвы» [431] и «Историческое описание о начале столичного города Москвы, ее распространении и славе» [432].
О жизни и деятельности Челиева см.: Государственный архив Саратовской области, ф. Саратовского депутатского собрания, -дело О дворянском достоинстве Е. Г. Челиева, 1804 г.; ГИАМО, ф. 163, 163-4, 16—8; ЦГИАЛ, ф. 206, оп. 2, № 283, 1826—1830 гг.; И. Л. З н а ч к о - Я в о р с к и й. Е. Г. Челиев — изобретатель искусственного романцемента, 1959, 1961, 1962 [173, брош. и статьи]; И. Л. З н а ч к о-Яворский. Открытие искусств, гидравл. цемента ... и развитие производства гидравл. вяжущих веществ . . ., 1960, 1961 [174, статьи]..'378 Ч. IV. История известковых вяжущих веществ на территории СССР
2 - Подобно Смитону, Паркеру, Фросту, Аспдину и некоторым другим современникам, Челиев словом «цемент» обозначал строительный раствор и не распространял его на активные добавки и гидравлическую известь. Однако в тексте книги он относил название «цемент», или «мертель», также и к сырьевой массе, обожженному из нее кирпичу (цементному клинкеру) и измельченному продукту обжига (собственно цементу).
3 - Известь мель — теперешняя «пылянка», т. е. мелочь, скапливающаяся при обжиге известняка и при длительном лежании на воздухе постепенно подвергающаяся ташению и карбонизации..'380 Ч. IV. История известковых вяжущих веществ на территории СССР
4 - Еще в XYIII в. термином «кальцинация» (лат. calcinatio от calx, calcis — известь) обозначали химическое измельчение твердых тел в порошок (calcinatio est pulverisato chemica) сухим способом под действием огня и мокрым — при помощи паров или варки. См.: С. А. Погодин. Химия в Петерб. Акад. наук до М. В. Ломоносова, с. 6 [304а, статья].
5 - Raucort de Charleville. Traite sur l'art de faire de bons mortiers . . ., 1822, c. 30 [334].
6 - Это отношение практически справедливо также и для мертелей № 2 и 3, поскольку мусор стенной и штукатурный, которых берут 2 части на 1 часть глины, представляют собой отвердевший известково-песчаный раствор состава 1:1, как это вытекает из последующих данных Челиева.
7 - В. И. Юнг. Основы технологии вяжущих веществ, с. 62 [462]
8 - Обжигаемые мертельные кирпичи, как и прочие, получают прежде темно-красный цвет; потом краснеют и делаются светлее, далее же желтеют и, наконец, в сильном жару белеют, — прим. Челиева..
9 - Верстаком называется деревянный ящик, в котором каменьщики держат при работе известь, - примечание Челиева
10 - Частичное спекание, ошлакование обжигаемой смеси в зонах относительно пониженного содержания в ней окиси кальция и повышенного - окислов - плавней является неизбежным следствием неравномерности состава недостаточно измельчённой и перемешанной сырьевой смеси
Книгу Значко-Яворского "Очерки истории вяжущих веществ" можно скачать здесь
http://history-library.com/boo...
Предыдущие статьи на эту тему:
https://cont.ws/post/287674 Отец русского цемента
https://cont.ws/post/287605 История строительных материалов. Вяжущие.
Кстати, опыты изготовления цемента по рецептам Челиева производились и в советские годы, и, как оказалось, в наши дни. Об этом - отдельный разговор.
(продолжение будет)
Оценили 18 человек
23 кармы