Цемент

Строительный раствор, приготовленный на основе цемента в бетоносмесителе, перегружают в тачку

Цемент (лат. caementum — «щебень, битый камень») — искусственное неорганическое гидравлическое вяжущее вещество. Один из основных строительных материалов. При взаимодействии с водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затем затвердевает и превращается в камневидное тело. В основном используется для изготовления бетона и строительных растворов. Цемент является гидравлическим вяжущим и обладает способностью набирать прочность во влажных условиях, чем принципиально отличается от некоторых других минеральных вяжущих — (гипса, воздушной извести), которые твердеют только на воздухе.

Марка цемента — условная величина, которая обозначает, что прочность при сжатии будет не ниже обозначенной марки (200, 300, 400, 500, 600)

Цемент для строительных растворов — малоклинкерный композиционный цемент, предназначенный для кладочных и штукатурных растворов. Изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера, активных минеральных добавок и наполнителей.

Исторические сведения

Замес

Римляне подмешивали к извести определённые материалы для придания ей гидравлических свойств. Это были:

• пуццоланы (отложения вулканического пепла Везувия);
• дроблёные или измельчённые кирпичи;
• трасс, который они нашли в районе г. Эйфеля (затвердевшие отложения вулканического пепла).

Несмотря на различия, все эти материалы содержат в своем составе оксиды: диоксид кремния SiO₂ (кварц или кремнекислота), оксид алюминия Al₂O₃ (глинозём), оксид железа Fe₂O₃ — и вызывают взаимодействие с ними извести; при этом происходит присоединение воды (гидратация) с образованием в первую очередь соединений с кремнезёмом. В результате кристаллизуются нерастворимые гидросиликаты кальция. В средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига загрязнённых глиной известняков по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их.

Растворосмеситель для подземных бетонных работ

После этого начался вековой период усиленного экспериментирования. При этом основное внимание было обращено на разработку специальных месторождений известняка и глины, на оптимальное соотношение этих компонентов и добавку новых. Только после 1844 года пришли к выводу, что, помимо точного соотношения компонентов сырьевой смеси, прежде всего необходима высокая температура обжига (порядка +1450 °С, 1700 K) для достижения прочного соединения извести с оксидами. Эти три оксида после спекания с известью определяют гидравлические свойства; их называют оксидами, обусловливающими гидравличность (факторами гидравличности).

Портландцемент получается при нагревании известняка и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры +1450…+1480 °С. Происходит частичное плавление и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер размалывают совместно примерно с 5% гипсового камня. Гипсовый камень управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67% СаО, 22% SiO₂, 5% Al₂О₃, 3% Fe₂O₃, 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и алюмоферритная фаза. В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.

Алит является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50—70 %. Это трёхкальциевый силикат, Са₃SiO₅, состав и структура которого модифицированы за счёт размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg²⁺, Al³⁺ и Fe³⁺. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.

Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15—30 %. Это двукальциевый силикат Ca₂SiO₄, модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде β-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки. Через год прочности чистого алита и чистого белита в сравнимых условиях примерно одинаковы.

Содержание алюминатной фазы составляет 5—10 % для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат сокращенно обозначаемый 3СaAS (состав — 3CaO*Al₂O₃*SiO₂), существенно изменённый по составу, а иногда и по структуре, за счёт инородных ионов, особенно Si⁴⁺, Fe³⁺, Na⁺ и К⁺. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент, обычно гипс.

Ферритная фаза составляет 5—15 % обычного цементного клинкера. Это — четырёхкальциевый алюмоферрит, сокр. 4СaAFS (4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃*SiO₂), состав которого значительно меняется при изменении отношения Al/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в поздние сроки.

Выдающийся учёный химик Шуляченко Алексей Романович считается отцом русской цементной промышленности. Широкое применение получила шахтная печь Антонова для обжига и производства клинкера. По вопросам цементной технологии и твердения гидравлических вяжущих много работ провели Ю. М. Бутт, С. М. Рояк, И. Ф. Пономарев, Н. А. Торопов и другие.

Виды цемента

По наличию основного минерала цементы подразделяются:

• романцемент — преобладание белита, в настоящее время не производится;
• портландцемент — преобладание алита, наиболее широко распространён в строительстве;
• глинозёмистый цемент — преобладание алюминатной фазы;
• магнезиальный цемент (цемент Сореля) — на основе магнезита, затворяется водным раствором солей;
• кислотоупорный цемент — на основе гидросиликата натрия (Na₂O·mSiO₂·nH₂O), сухая смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяется водным раствором жидкого стекла.

Также известен биоцемент, отличающийся от обычного цемента тем, что производится при помощи биотехнологий.

В подавляющем большинстве случаев под цементом имеют в виду портландцемент и цементы на основе портландцементного клинкера. В конце XX века количество разновидностей цемента составляло около 30.

По прочности цемент делится на марки, которые определяются главным образом пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40×40×160 мм, изготовленных из раствора цемента состава 1:3 с кварцевым песком. Марки выражаются в числах М200 — М600 (как правило с шагом 100 или 50) обозначающим прочность при сжатии соответственно в 100—600 кг/см² (10—60 МПа). Цемент с маркой 600 благодаря своей прочности называется «военным» или «фортификационным» и сто́ит заметно больше марки 500. Применяется для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и так далее.

В настоящее время цемент делится на классы по прочности. Основное отличие классов от марок состоит в том, что прочность выводится не как средний показатель, а требует не менее 95 % обеспеченности (то есть 95 образцов из 100 должны соответствовать заявленному классу). Класс выражается в числах 30—60, которые обозначают прочность при сжатии (в МПа).

Производство

Цемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

При измельчении клинкера вводят добавки: гипс СaSO₄·2H₂O для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок (пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески) для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре +1450…+1480 °C в течение 2—4 часов в длинных вращающихся печах (3,6×127 м, 4×150 м и 4,5×170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь условно можно поделить на зоны:

• подогрева (+200…+650 °C — выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле: Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O → Al₂O₃·2SiO₂ + 2H₂O; далее при температурах +600…+1000 °C происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты.
• декарбонизации (+900…+1200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО₃ → СаО + СО₂, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al₂O₃, SiO₂) в этой же зоне начинаются процессы твёрдофазового синтеза новых соединений (СаО·Al₂O₃ — сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С₃А), протекающих ступенчато;
• экзотермических реакций (+1200…+1350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С₃А, С₄АF (F — Fe₂O₃) и C₂S (S — SiO₂) — 3 из 4 основных минералов клинкера;
• спекания (+1300 → +1480 → +1300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C₂S, который, взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО, образует минерал алит (С₃S — твёрдый раствор трёхкальциевого силиката и небольшого количества (2—4 %) MgO, Al₂O₃, P₂O₅, Cr₂О₃ и других);
• охлаждения (+1300…+1000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Мировое производство цемента

В 2010 году мировое производство цемента достигло 3,325 млрд тонн. В тройку крупнейших производителей вошли Китай (1,8 млрд тонн), Индия (220 млн тонн), и США (63,5 млн тонн). По данным Росстата, производство в России портландцемента, цемента глинозёмистого, цемента шлакового и аналогичных гидравлических цементов в 2012 году составило 61,5 млн тонн.

Крупнейшие производители цемента в мире на 2011 год:

• Holcim — Швейцария — 136,7 млн т
• Lafarge — Франция — 150,6 млн т
• Heidelberg Group- Германия −176 млн т (на 1 июля 2016 г)
• Cemex — Мексика — 74,0 млн т
• Italcementi — Италия — 54,4 млн т
• Anhui Conch Cement — Китай — 41,5 млн т
• Taiheiyo Cement — Япония — 38,0 млн т
• Votorantim Cimentos — Бразилия — 31.8 млн т
• Buzzi Unicem+Dyckerhoff — Италия-Германия — 26,6 млн т
• Cimpor — Португалия — 28,3 млн т
• Vicat — Франция — 19,8 млн т
• Евроцемент груп — Россия — 18,4 млн т

Производство цемента в России

Десять ведущих производителей цемента в России на 2013 год (объём в млн тонн / доля на рынке в %):

1. «Евроцемент груп» — 21,649 / 32,6
2. «Новоросцемент» — 5,772 / 8,7
3. «Мордовцемент» — 4,717 / 7,1
4. «Сибирский цемент» — 4,307 / 6,5
5. Heidelberg Cement — 3,654 / 5,5
6. Holcim — 3,658 / 5,5
7. Dyckerhoff — 3,257 / 4,9
8. «Себряковцемент» — 3,167 / 4,8
9. Lafarge — 2,416 / 3,6
10. «Востокцемент» — 2,037 / 3,1

Проектная мощность заводов по итогам 2014 года (млн тонн в год):

1. «Евроцемент груп» — 33,1
2. «Мордовцемент» — 7,2
3. «Новоросцемент» — 6,9
4. «Сибирский цемент» — 6,7
5. Heidelberg Cement — 4,9
6. Holcim — 4,6
7. «Востокцемент» — 4,3
8. Dyckerhoff — 3,7
9. «Себряковцемент» — 3,4
10. «Базэлцемент» — 3,2

В декабре 2014 года предприятия «Мордовцемента» перешли под контроль «Евроцемент груп».:

Источники

• Райхель В., Конрад Д. Бетон. В 2 ч. Ч. 1. Свойства. Проектирование. Испытание. — М.: Стройиздат, 1979. С. 33. Пер. с нем. / Под ред. В. Б. Ратинова.
• Дворкин Л. И., Дворкин О. Л. Справочник по строительному материаловедению. — М.: Инфра-Инженерия, 2010.

См. также

• Список стран по производству цемента
• Арболит
• Цементный кризис
• Бетон

Литература

• Егоров, К. Н., Менделеев Д. И. Цементы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Ссылки

• Специальные цементы

• Цементная «азбука»