Цемент - порошкообразный строительный вяжущий материал, который - обладает гидравлическими свойствами.
Цемент состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или его производных и добавок. При взаимодействии с водой или другими жидкостями цемент образует пластичную массу (цементное тесто), которая, затвердевая, превращается в камнеподобное тело.
К цементам относится большая группа гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образовавшиеся в результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава.
ИСТОРИЯ ЦЕМЕНТА
Примерно 3000-4000 лет до н.э. были найдены способы получения искусственных вяжущих веществ путем обжига некоторых горных пород и тонкого измельчения продуктов этого обжига. Первые искусственные вяжущие вещества - строительный гипс, а затем и известь - были применены при строительстве уникальных сооружений: бетонной галереи легендарного лабиринта в древнем Египте (3600 год до н.э.), фундаментов древнейших сооружений в Мексике, Великой Китайской стены, римского Пантеона.
Глина, гипс и известь способны твердеть и служить только на воздухе, поэтому эти вяжущие материалы получили название воздушных. Все воздушные вяжущие вещества характеризуются относительно невысокой прочностью. Со временем научились повышать водостойкость известковых растворов, вводя в них тонкомолотые обожженную глину, бой кирпича или вулканические породы, известные под названием "пуццоланы". Так их называли древние римляне по месту залежей близ города Поццуолли.
На территории некогда существававшей Руси, развитие производства вяжущих материалов связано с возникновением древних городов - Киева, Новгорода, Москвы и др. Вяжущие материалы использовали при возведении крепостных стен, башен, соборов. В 1584 г. в Москве был учрежден «Каменный приказ», который наряду с заготовкой строительного камня и выпуском кирпича ведал также производством извести.
Несколько тысячелетий гипс и воздушная известь были единственными вяжущими материалами. Однако они отличались недостаточной водостойкостью. Развитие мореплавания в XVII-XVIII вв. потребовало для строительства портовых сооружений создания новых вяжущих, устойчивых к действию воды.
В 1756 году англичанин Д. Смит обжигом известняка с глинистыми примесями получил водостойкое вяжущее, названное гидравлической известью. В 1796 году англичанином Д. Паркером был запатентован роман-цемент, способный твердеть как на воздухе, так и в воде. В наше время эти вяжущие утратили практическое значение, но до второй половины XIX в. они были основными материалами для строительства гидротехнических сооружений. Интенсивное развитие промышленности в России в XVIII в., когда было построено 3 тысячи промышленных предприятий, не считая горных заводов, потребовало систематизации накопленного опыта производства и применения вяжущих, создания более эффективных их видов. В 1807 году академик В.М. Севергин дал описание вяжущего вещества, получаемого обжигом мергеля с последующим размолом. Полученный продукт по качеству был лучше роман-цемента.
В России цемент начали производить в прошлом столетии. В начале 20-х годов XIX в. Е. Делиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825 г. В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента, который расположился в г. Гроздеце, затем были построены заводы в Риге (1866), Щурове (1870), Пунане-Кунда (1871), Подольске (1874), Новороссийске (1882), и т.д.
В начале 20 века, в России работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн. тонн цемента. Однако после Первой мировой войны большинство цементных заводов было разрушено. С приходом советской власти цементную промышленность России прищлось создавать практически с нуля.
Уже в 1962 году, СССР занял первое место в мире по вупуску цемента. В 1971 году выпуск цемента в стране превысил 100 млн. тонн. Цементная промышленность СССР отличалась высокой концентрацией производства. Средняя мощность цементного завода в СССР была почти в 2 раза выше, чем в США, и на 30% выше, чем в Японии.
Сегодня, Россия занимает пятое место в мире по объемам производства цемента, уступая Китаю, Индии, США и Японии.
Российская цементная промышленность находится в числе самых быстрорастущих мировых индустрий с темпами около 9%, при этом в ближайшие годы можно прогнозировать увеличение темпов роста.
Сегодня, главным недостатком российских цементных заводов является то, что они используют мокрый способ производства цемента, который гораздо более энергоемкий, чем используемый в развитых странах мира сухой способ. Поэтому для компаний важно постепенно переходить на более прогрессивные энергосберегающие технологии.
ВИДЫ ЦЕМЕНТОВ
Белый цемент
Водонепроницаемый расширяющийся цемент
Водонепроницаемый безусадочный цемент
Гидрофобный цемент
Глиноземестый цемент
Магнезиальный цемент
Портландцемент
Сульфатостойкий цемент
Тампонажный цемент
Шлаковый цемент
Цветной цемент
Белый цемент (БЦ) изготовляют из маложелезистого клинкера (серый цвет обычного цемента обусловлен главным образом наличием соединений железа в исходных сырьевых материалах).
Белый цемент является материалом с уникальными характеристиками, которые позволяют использовать его в изготовлении скульптурных элементов, колонн, а также при отделочных работах, например, фасада здания. Эстетические требования, предъявляемые к фасадам и другим парадным строительным элементам, делают применение белого цемента особенно эффективным.
Белый цемент применяют также для цветных цементнобетонных дорожных покрытий, например на площадях у монументальных сооружений.
Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающее и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало процесса-ранее 4 мин., конец не позднее 10 мин. с момента затворения.
Линейное расширение образцов из цементного теста, твердеющих в воде в течении 1 сут., должно быть в пределах 0,3-1%.
ВРЦ применяют для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов, раструбных соединений создания гидроизоляционных покрытий, заделки стыков и трещин в железобетонных конструкциях и т.д.
Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) - быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Начало схватывания не ранее 1мин., а конец не позднее 5мин. с момента затворенеия.
Цемент применяют для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетонных и железобетонных сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т.д.).
Гидрофобный цемент (ГФЦ) получают в результате тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гипсом и гидрофобизующей добавкой (асидол, мылонафт, олеиновая кислота, окисленный петролатум, кубовые остатки синтетических жирных кислот и др.).
Данный цемент обладает меньшим водопоглощением, большей морозостойкостью и водонепроницаемостью, чем обычный портландцемент; способен длительное время храниться даже во влажной среде без потери активности. Повышенное воздухововлечение данного цемента снижает прочность тяжелых бетонов, однако, при производстве легких и ячеистых бетонов это свойство играет положительную роль.
Бетонные смеси на гидрофобном цементе подвергаются меньшему расслаиванию, стойки к попеременному увлажнению и высыханию.
Глиноземестый цемент (ГЛЦ) - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания или сплавления сырьевой смеси, богатой глиноземом. В качестве сырьевых материалов для получения глиноземистого цемента используют известняк или известь и породы с высоким содержанием глинозема Al2O3, например бокситы.
Минералогический состав глиноземистого цемента характеризуется большим содержанием низкоосновных алюминатов кальция, главным из которых является однокальциевый алюминат CaO&Al2O3 .
Применение глиноземистого цемента ограничено его высокой стоимостью. Его используют при срочных ремонтных и аварийных работах, производстве работ в зимних условиях, для бетонных и железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию сильно минерализованных вод, получения жаростойких бетонов, а также изготовления расширяющихся и безусадочных цементов.
Магнезиальный цемент (МГЦ) используют для устройства магнезиальных полов, как магнезиальное вяжущее, представляющее собой тонкодисперсный порошок, активной частью которого является оксид магния. Оксид магния, в свою очередь, есть продукт умеренного обжига природных карбонатных пород магнезита или доломита.
Портландцемент и его разновидности являются основными вяжущими веществами в строительстве. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцемнтного клинкера с гипсом, а также со специальными добавками.
Порталандцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых материалов (мергеля, доменного шлака и прочие). При обжиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция. Для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер при помоле добавляют двуводный гипс в количестве 1,5-3,5% (по массе цемента в пересчете на SO3).
По составу различают: портландцемент без добавок; портландцемент с минеральными добавками; шлакопортландцемент и другие.
Сульфатостойкий цемент изготовляют из клинкера нормированного минералогического состава: в клинкере должно быть не более 5% трехкальциевого алюмината и не более 50% трехкальциевого силиката. Низкое предельное содержание трехкальциевого алюмината требуется потому, что сульфатная коррозия развивается в результате взаимодействия сульфатов, находящихся в окружающей среде, с трехкальциевым гидроалюминатом цементного камня. Если в цементном камне С3А присутствует в малых количествах, то образуется незначительное количество гидросульфоалюмината кальция. Тогда он не опасен, так как распределяется в порах бетона, вытесняя оттуда воду или воздух, и внутренних напряжений в бетоне не вызывает.
Сульфатостойкий цемент обычно выпускают двух марок: 300 и 400.
Тампонажный цемент - разновидность портландцемента, и предназначенный для цементирования нефтяных и газовых скважин. Тампонажный цемент изготовляют совместным тонким измельчением клинкера и гипса. В России выпускают тампонажный цемент двух видов: для так называемых холодных (с температурой до -40°С) и горячих (до +75°С) скважин. Тампонажный цемент применяют в виде цементного теста, содержащего 40-50% воды.
Шлаковый цемент - общее название цементов, получаемых совместным помолом гранулированных доменных шлаков с добавками-активизаторами (известь, строительный гипс, ангидрит и другие) или смешением этих, раздельно измельченных, компонентов.
Различают следующие виды шлакового портландцемента: известково-шлаковый с содержанием извести 10-30% и гипса до 5% от массы цемента и сульфатно-шлаковый с содержанием гипса или ангидрита 15-20%, портландцемента до 5% или извести до 2%. Шлаковый цемент применяют для получения строительных растворов и бетонов, используемых преимущественно в подземных и подводных сооружениях. Известково-шлаковый цемент наиболее эффективен в производстве автоклавных материалов и изделий.
Цветной цемент получают на основе белого портландцементного клинкера путем совместного помола с пигментами различных цветов, например с охрой, железным суриком, окисью хрома. Можно также получать цветные цементы смешиванием белого цемента с пигментами.
Применение цветных цементов, способствующее архитектурно-декоративному оформлению сооружений, имеет большое значение в индустриальной отделке крупноэлементных зданий. Эти цементы применяют также для цветных цементнобетонных дорожных покрытий, например на площадях у монументальных сооружений. Кроме перечисленных, имеются еще некоторые специальные сорта портландцемента, например тампонажный, для производства асбестоцементных изделий.
МАРКИРОВКИ ЦЕМЕНТОВ
Цемент, как и любой другой материал, применяемый в строительстве, различается по своим физико-техническим характеристикам в зависимости от того, в каких условиях предполагается его эксплуатация.
Цемент маркируется по двум характеристикам - это способность выдерживать определенную нагрузку и процентное соотношение к общему объему цемента различных добавок.
Первый параметр обозначается буквами М или ПЦ со стоящей рядом цифрой. Цифра будет указывать максимальные прочностные качества цемента.
Например маркировка М 500 указывает, что данный вид цемента способен выдержать нагрузку в 500 кг/см. Наиболее популярны цементы с маркировкой от 350 до 500, однако всетречаются и цементы с отметкой 700.
Второй параметр цемента, отраженной в его маркировке, является процентное содержание добавок. Оно обозначается буквой Д. Например, цемент с маркировкой Д20 будет содержать 20% добавок. Эта характеристика важна потому, что процент добавок влияет на пластичность и прочность цемента. Если цемент обладает какими-либо дополнительными специфическими свойствами, то на это указывают специальные обозначения.
Как уже было сказано выше, самыми популярными марками цемента являются марки от 350 до 500. Рассмотрим основные характеристики и применение некоторых из них.
Марка цемента М (ПЦ) 400 - Д20 указывает на то, что этот вид цемента обладает повышенной морозостойкостью и водостойкостью. Основная сфера применения такого цемента - строительство (сюда входит как жилищное, так и промышленное, сельхозхозяйственное). Его используют при изготовлении сборного железобетона, стеновых перекрытий, фундамента и т. д.
Практически аналогичными свойствами и сферой применения обладает цемент марки М 500 - Д20, помимо хорошей водостойкости и морозостойкости данный вид цемента обладает пониженной сопротивляемостью коррозийным воздействиям. Его применяют, как и цемент марки ПЦ 400 - Д20 для строительства, а так же он подходит для штукатурных, кладочных и других ремонтно-строительных работ и изготовления различных строительных растворов.
Цемент марки М 500 - Д0 введенный в состав бетона, придает последнему такие характеристики, как: повышенная морозостойкость, водостойкость, долговечность. Он незаменим в промышленном строительстве, особенно при выполнении аварийных и восстановительных работ.
При строительстве сооружений, так или иначе связанных с воздействием пресной или минерализованной водой, надо использовать цемент марки ПЦ (М) 400 - Д0. Без него не обойтись при изготовлении бетонных конструкций с применением термовлажностной обработки. Так же этот цемент хорош для изготовления бетонных и строительных растворов. Еще одной важной характеристикой цемента является его время твердения. Этот процесс проходит в несколько этапов: первый - схватывание (начало твердения) цемента. Он занимает 40 - 50 минут. Второй - конец твердения. Он наступает через 10 - 12 часов.
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 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.
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.
При сухом способе, которому, по всей вероятности принадлежит будущее цементного производства, навстречу горящим газам подают не шлам, а размолотое в порошок сырье: известняк, глину, шлаки. При этом экономится топливо, которое при мокром способе расходуется на испарение воды.
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 ее 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.
При подготовке данного обзора использовались материалы сайтов www.vira.ru, www.cementy.ru,