Цемент это химическая промышленность

Цемент

Цемент (лат. caementum — «щебень, битый камень») — искусственное неорганическое вяжущее вещество. Один из основных строительных материалов. При затворении 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.

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

Содержание

Исторические сведения

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.

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, и их называют оксидами, обусловливающими гидравличность (факторами гидравличности).

Цемент получается при нагревании гашёной извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450 °С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс 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 и 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 трехкальциевый силикат, Са₃SiO₅, состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg 2+ , Al 3+ и Fe 3+ . 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 3СaAS(3CaO*Al₂O₃*SiO₂), существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов, особенно Si 4 , Fe 3+ , 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 — четырехкальциевый алюмоферрит 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.

Виды цемента

По наличию основного минерала цементы подразделяются: [1]

• романцемент — преобладание белита, в настоящее время не производится;
• портландцемент — преобладание алита, наиболее широко распространен в строительстве;
• глинозёмистый цемент — преобладание алюминатной фазы;
• магнезиальный цемент (Цемент Сореля) — на основе магнезита, затворяется водным раствором солей;
• смешанные цементы — цементы, получаемые путем смешения вышеприведенных цементов с воздушными вяжущими, минеральными добавками и шлаками, обладающими вяжущими свойствами.
• кислотоупорный цемент — на основе гидросиликата натрия (Na₂O·mSiO₂·nH₂O), сухая смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяется водным раствором жидкого стекла.

В подавляющем большинстве случаев под цементом имеют в виду портландцемент и цементы на основе портландцементного клинкера. В конце ХХ века количество разновидностей цемента составляло около 30. [1]

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 к 3 с кварцевым песком. Марки выражаются в числах М100 — М600 (как правило с шагом 100 или 50) обозначающим прочность при сжатии соответственно в 100—600 кг/см2 (10—60 МПа). В настоящее время цемент марки М300 и менее не выпускается. 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 т.д.

Также по прочности в настоящее время цемент делится на классы. 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, опоки, трепелы) для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1470°C в течение 2-4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 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 твердофазового 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) завершется 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→1470→1300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C₂S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С₃S);
• 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 2002 году мировое производство цемента достигло 1,8 млрд. т. В тройку крупнейших производителей вошли Китай (704 млн. тонн), Индия (100 млн. тонн), и США (91 млн. тонн).

Цена на цемент на европейских биржах составляет около 100$ за тонну. Цены на цемент в Китае составляют около 40$ за тонну. Большинство биржевых сделок с цементом в России на 2010 год осуществляется на Московской Фондовой Бирже.

Источники

Райхель В., Конрад Д. Бетон: В 2-х ч. Ч. 1. Свойства. Проектирование. Испытание. — М.: 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.

Источник

Цемент: химический состав, свойства и методы производства

Цемент — это искусственное вяжущее порошкообразное вещество, ключевой функцией которого является замешивание бетонной или отделочной смеси. Сочетание его с водой вызывает процесс гидратации, превращающий порошок в пластичную однородную массу, впоследствии застывающую и становящуюся камневидной. Выбор каждого компонента, входящего в состав цемента, изначально определяют существующие способы его изготовления. По стандарту это клинкер, ряд минеральных добавок и гипс. Однако набор может варьироваться в угоду формулы.

История создания

Данное понятие происходит от лат. caementum — «дробленый, битый камень». Сама смесь стала необходима как средство борьбы с влажностью, которую не переносят гипсовые и известняковые строительные материалы. Именно для этого в структуру состава были введены водостойкие элементы. Изначально это были обломки глинистого кирпича, вулканическая порода и отложения извергаемого пепла (такой порошок называют пуццолановым).

Оптимальная схема приготовления цемента была разработана гораздо позже:

• в 1824 году Джон Аспинд запатентовал портландцемент (ПЦ);
• в 1825 году про то, какой должна быть гидротехническая цементная структура, рассказал Егор Челиев.

Внимание! Портландцементный порошок был так назван из-за каменных отложений острова Портленд, которые считались лучшим стройматериалом того времени в Англии. В свою очередь, Джон Аспинд создал искусственную каменную структуру, схожую по уровню прочности и окрасу с вышеупомянутым натуральным элементом.

Однако в те времена производство цемента осуществлялось без обработки сырья огнём. В более актуальном на сегодня виде (относительно того, как производится данный порошок) его описал именно российский строитель Егор Челиев.

Сырьевой набор и активные элементы в основе порошка

Описываемый стройматериал — это комплексная структура. Для её получения среди производителей зачастую используется базовая методика. Избранный способ производства предопределяет сочетание всех составляющих в следующей регламентированной пропорции:

• известь — 60%;
• диоксид (кремнезём) кремния — 20%;
• алюминий — 4%;
• вышеупомянутый гипсовый элемент и оксид железа — 2%;
• оксидированный магний — 1%.

Иными словами, базовые виды цемента (тот самый ПЦ) — это соотношение 70% неорганических и 20% органических элементов с 10% жидкости. Технологии для приготовления цементного порошка могут видоизменяться, что позволяет выпускать совершенно новый продукт с определённым уровнем качества и набором эксплуатационных свойств.

Стоит отметить, что точные химические формулы для выпуска данной продукции отсутствуют, а потому и появилось множество разновидностей порошка.

В роли основного сырья, из которого изготавливают данный стройматериал, выступают клинкерные гранулы. Такое название получила структура, увиденная специалистами в обжигаемом сочетании известняка и глины (3:1). Фактически это гранулированный полуфабрикат, который имеет небольшую фракцию — до 6 см.

Гранулированные известняково-глинистые породы тщательно измельчают с добавлением в них:

• гипсовой составляющей (корректирует сроки на первичное схватывание);
• элементов (специальные модификационные добавки ¬— до 15-20% от объема готового порошка), улучшающих качественные параметры стройматериала.

Сырьевой базой в производственной промышленности по данному направлению выступают горные ископаемые:

• Карбонатные породы (аморфные или кристаллические). Карбонатная составляющая предопределяет, насколько эффективно будут взаимодействовать все элементы между собой при обжигании перед измельчением.
• Осадочные элементы, являющиеся той самой минерализованной глиной, которая увеличивает свой объем при увлажнении. Актуальность их использования заключается в вязкости, которой требует преимущественно сухой способ выпуска порошка.

Также сухая технологическая производственная схема требует от изготовителей добавлять набор различных модификаторов, которые делают цемент более эффективным.

Ископаемые	Промышленные отходы
железистые и кремнебелитовые составляющие; плавиковый шпат; апатиты; глинозём.	пиритные огарки; печная пыль; белитовый шлам; минерализаторы.

Эти и другие составляющие могут использоваться для того, чтобы позаботиться о следующих характеристиках порошка:

• морозостойкости;
• степени активности;
• удобоукладываемости, с которой строительный раствор распределяется по обрабатываемой поверхности;
• прочностного уровня, соответствующего одной из регламентированных марок;
• скорости твердения и т. д.

Однако сделать цементный порошок можно по-разному. Стоит отдельно рассмотреть производственные схемы, которые сегодня существуют в данной индустрии.

Ключевые подходы к выпуску порошка

Учитывая современный технологический прогресс и сырьевые условия производственной сферы, марочный порошок выпускается в рамках метода из перечисленных далее. Рассмотрим, каким образом реализуют производственную схему для каждого из подходов.

С высушенной сырьевой базой

При минимуме энергозатрат и сниженной стоимости на этапах перемалывания и сушки актуально применение шаровой мельницы.

1. Все составляющие дробятся и просушиваются.
2. Эту консистенцию повторно дробят до мукообразного состояния.
3. Выполняется обжиг и охлаждения с последующей отправкой для складирования.

Мокрый

Известковая составляющая заменяется мелом, а также дополняется жидкостью. Получающаяся сырьевая база называется шихтой (вязкая каша, образуемая при смешивании исходных составляющих) с уровнем влаги до 50%. Относительно подхода с высушенной сырьевой базой данная методика отличается лишь наличием жидкости, а само дробление в муку осуществляется уже после сушки шламовой консистенции, прошедшей печную термическую обработку.

Комбинированный способ

Реализуется посредством частичного соединения вышеуказанных подходов. В результате качественно приготовленный порошок содержит до 18% влаги. После получения шламовой консистенции её просушивают и гранулируют. Уже в таком формате клинкерные элементы попадают в печной отсек для обжигания.

Бесклинкерная производственная схема

В данном случае сырьевой базой выступает гидравлический или доменный шлак. Выпускаемый порошок также состоит из разных модификаторов и активирующих элементов. Шлако-щелочная консистенция дробится и перетирается в порошок, который впоследствии и применяется для строительства.

Ключевые преимущества, которыми обладает этот подход:

• экологическая безопасность производственного комплекса (переработка металлургических шлаковых отходов способствует этому);
• повышенная степень устойчивости порошка к негативным факторам, присущим окружающей среде;
• возможность выпуска порошка с другими цветами (кроме серого);
• минимальные затраты на электро- и теплоэнергию сравнительно с другими методиками.

Каждая марка порошка, выпускаемого в рамках описанных производственных схем, отличается уникальными параметрами и эксплуатационными особенностями.

Видовые различия и применимость для проводимых работ

Тип порошка	Особенности состава	Сфера эксплуатации
ПЦ	Традиционная формула.	Отделка, оштукатуривание, создание бетонных конструкций, декорирование.
ШПЦ (шлакопортландцемент)	Шлаковая составляющая (до 25%).	Сугубо строительное назначение с выпуском массивных бетонных объектов.
ППЦ (пуццолан)	Минерализованная составляющая, активирующего типа.	Широко применяется в сложных для эксплуатации местах: крайний Север, подводная часть гидротехнических объектов.
Пластифицированный	Дополнительные элементы, обуславливающие мягкость и пластичность замешиваемой консистенции.	В этом материале нуждаются на производственных объектах при выпуске элементов сложной формы.
Кислотоупорный	Для него нужны особые жидкие растворители, в частности, кварцевое стекло. Характерно содержание кварцевого песка и кремнефтористого натрия.	Актуально для случаев эксплуатации под воздействием кислот.
Глинозёмный	Гипсовая и шлаковая сырьевая база.	Скорость первичного отвердевания крайне высока. Влагостойкость позволяет задействовать данный порошок при возведении гидроизолированных сооружений.
Сульфатостойкий	Сочетание алюмината (5%) и силиката (50%) с клинкерной базой. Недопустимо нарушение этих долей, т. к. от количества включенных составляющих зависит уровень кальция (его защищенность от вымывания).	Создание подводных и подземных объектов, инертных к химически агрессивному воздействию. Высочайший показатель морозо- и влагостойкости.

Деятельность заводов

Выпуск порошка с избыточным увлажнением характерен для отечественных предприятий, а за рубежом предпочитают сушку (Китай, Турция, Египет). Белый порошок выпускается компанией «Холсим» (Словакия, РФ), также этот декоративный стройматериал поставляется из Дании, Турции.

Обычно избираемые предприятиями производственные схемы объединяют общие пункты. Например, это выглядит так:

1. Перемешивание всех составляющих в первичную клинкерную консистенцию.
2. Обжигание во вращающихся печах.
3. Перемалывание до порошкообразного состояния.

Вся производственная схема строится на высокотехнологичном оборудовании. В числе устройств, из которых собираются крупнейшие комплексы, а также вспомогательной техники:

• добывающие машины, обеспечивающие сырьевую базу;
• транспортные средства для доставки;
• печные установки;
• мельницы;
• фасовочные станки для упаковки порошка в мешки.

Выпускаемый таким образом стройматериал составляет львиную долю рынка, однако изготовить порошок можно и лично, не прибегая к обращению в профильный магазин.

Переоборудуем дом под производственную схему

Для большой стройплощадки можно оборудовать локальную производственную точку. При этом в оснащении должен быть определенный набор элементов:

• печная установка, температура которой будет расти до 1500 градусов по Цельсию;
• дробилка, способная обеспечить достаточно мелкий перемол;
• различные ёмкости, способные выдержать плавку сырьевой составляющей порошка.

Одна из альтернативных производственных схем основывается на задействовании смолы и серы. Получается в итоге консистенция, подходящая для качественной плиточной или кирпичной кладки, а также для заливки стяжки пола.

1. Сера (1 килограмм) растапливается в металлической ёмкости, а смола (1 килограмм) — в огнеупорной.
2. В жидкостном формате эти составляющие перемешиваются до однородного состояния.
3. Туда вводят чистой песочной россыпи и оксидированного свинца (глета) — 2 и 3 кг соответственно.
4. При термической обработке консистенция опять доводится до однородного состояния.
5. Затем она обжигается и отстаивается.

Учитывая то, что необходимая техническая оснастка не всегда имеется у рядового работника, можно видоизменить формулу, задействовав известковую и зольную базу в сочетании с жидкостью. Однако с помощью этой консистенции можно выполнять лишь ремонтные задачи, в частности, заделывание трещин и прочих незначительных дефектов. На эксплуатацию под большей нагрузкой она не рассчитана.

Приведение порошка в эксплуатационное состояние

Помимо выпуска качественной связующей консистенции требуется умело задействовать её, чтобы добиться создания максимально прочного и долговечного сооружения. По стандарту на 1 долю порошка приходится 3 песочные доли. Объем жидкости регулируется исходя из того, насколько пластичной и вязкой должна быть консистенция. Также стоит учитывать марочную принадлежность и тип изготавливаемого порошка. Так, в сводной таблице далее будет представлено достаточно информации о пропорциональном замесе консистенции для стяжки.

Марочная принадлежность (цемента/замеса)	М100	М75	М50	М25
М200	—	1:2,5	1:3	1:6
М300	1:2,5	1:3	1:4,5	—
М400	1:3	1:4	1:6	—
М500	1:5	—	—	—
М600	1:6	—	—	—

Указанные доли соответствуют связующему порошку и песочной фракции, которые перемешиваются между собой. Также наполнителем могут выступать гравий или щебёнка. Фильтрованная жидкость доливается в высушенный замес. Чтобы создать бетон, которым будет заливаться фундамент, понадобится консистенция марочной принадлежности от М200 и более. Максимальную однородность для неё можно будет обеспечить исключительно посредством бетономешалки. Другие наши статьи рассказывают о нюансах индустрии еще подробнее.

Сотрудничество с «АльфаЦем»

По всем вопросам, касающимся данной отрасли, вы можете обратиться к представителям группы компаний «АльфаЦем». Наш ассортимент представляет клиентам максимальный выбор связующих порошков от ведущих поставщиков из России и стран зарубежья. Регулярные новые поступления гарантируют вам возможность безостановочной строительно-монтажной деятельности. Настройте поиск по фильтрам каталога, чтобы отобрать нужные товары.

Оставьте заявку на сайте или позвоните нам напрямую для обсуждения деталей заказа. Важной составляющей торговой деятельности мы считаем то, что все изделия поставляются с сертификатами, подтверждающими их соответствие действующим техническим стандартам. Все они выдаются поставщиками исходя из параметров лабораторной проверки образцов. Ключевое правило для менеджеров «АльфаЦем» — удовлетворение потребностей каждого заказчика.

В первую очередь, мы обеспечиваем комфортное сотрудничество (оплата, доставка, гарантийные обязательства). Также компанией ведётся конкурентоспособная ценовая политика. Менеджеры, в свою очередь, могут помочь с выбором, обратив внимание клиентов на скорость отвердевания, прочностной уровень при сжатии, качественные параметры и т. д.

Оставляйте свои комментарии, выделяя главные преимущества сотрудничества с «АльфаЦем». Мы будем рады как благодарностям, так и конструктивной критике, значительно улучшающей сервис, предоставляемый компанией. Ждём вас!

© Интернет-магазин стройматериалов «АльфаЦем» 2001–2021

Источник