Цемент. Виды, назначение, производство

Цемент

Цемент - собирательное название искусственных неорганических порошкообразных вяжущих материалов, преимущественно гидравлических, обладающих способностью при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или другими жидкостями образовывать пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело. Цемент один из главнейших строительных материалов. Цемент предназначен для изготовления бетонов и строительных растворов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, гидроизоляции и др.

В общем понимании этого термина цемент известен с древнейших времён. Первыми искусственными вяжущими веществами (прообразами цемента) были гипс и известь, применявшиеся древними египтянами и греками при возведении монументальных сооружений, частично сохранившихся до наших дней. Позднее в качестве цемента использовались известковые растворы с добавкой измельченных вулканических пород (в Древнем Риме) или слабообожжённого кирпича-цемянки (в Киевской Руси), придававших им способность твердеть в воде. В 1796 году Дж. Паркером был получен патент на цемент — гидравлическое вяжущее-романцемент-измельченный продукт обжига природных мергелей. В 1824 году Дж. Аспдин в Англии и в 1825 году Е.Г. Челиев в России независимо друг от друга создали портландцемент, получаемый обжигом до спекания искусственной смеси известняка и глины, взятых в определённых пропорциях.

Большое значение в развитии теории и практики цементного производства в России имели труды А.Р. Шуляченко, Н.А. Белелюбского, И.Г. Малюги, Н.Н. Лямина, В.И. Чарномского. В результате их работ были созданы высококачественные отечественные цементы, почти полностью вытеснившие из строительной практики цемент иностранного производства. Однако в дореволюционной России количество цементных заводов, их мощность и технический уровень были недостаточными. Единственным научным учреждением, занимавшимся исследованиями по цементу, была механическая лаборатория Петербургского института инженерных путей сообщения.

Октябрьская революция 1917 года открыла широкие возможности для развития цементной промышленности и науки о цементе. Трудами советских учёных А.А. Байкова, В.А. Кинда, В.Н. Юнга, П.П. Будникова, П.А. Ребиндера, Н.Я. Торопова, Ю.М. Бутта, А.В. Волженского и др, были созданы современные основы физикохимии цемента, разработана теория твердения цемента, усовершенствована технология производства цемента, созданы новые высокоэффективные виды цемента с особыми свойствами, удовлетворяющими потребности различных отраслей народного хозяйства. В нашей стране научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы, связанные с развитием цементной промышленности и повышением её технического уровня, осуществляются рядом специализированных институтов (НИИ Цемент, Гипроцемент, НИИ Цеммаш и другие), а также кафедрами некоторых вузов.

Современный процесс производства цемента

Современный процесс производства цемента включает: добычу цементного сырья природного или использование в качестве такового некоторых промышленных отходов (металлургических шлаков, зол ТЭС, вскрышных пород и т.п.); дробление и тонкое его измельчение; приготовление однородной сырьевой смеси заданного состава; обжиг её до спекания при температуре 1450-1550°С; измельчение полученного клинкера в тонкий порошок вместе с небольшим количеством гипса и активных минеральных добавок или др. веществ, придающих цементу нужные качества. В зависимости от способа приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинированный способы производства цемента. Выбор способа обусловлен главным образом технико-экономическими показателями: возможной степенью концентрации производства, расходом топлива и электроэнергии, трудовыми затратами.

При сухом способе производства цемента сырьевые материалы (известняк и глина) в процессе измельчения и помола в мельницах высушиваются и превращаются в сырьевую муку, состав которой корректируется в соответствии с заданным, после чего мука поступает на обжиг. Современные вращающиеся печи для обжига клинкера, как правило, оборудованы запечными теплообменниками, в которых осуществляется подогрев и частичная декарбонизация сырьевой смеси. Расход тепла на обжиг клинкера составляет 750-850 ккал/кг клинкера. При мокром способе размол сырьевых компонентов осуществляется в мельницах в присутствии воды, которая играет роль понизителя твёрдости, интенсифицирует процесс помола и снижает удельный расход энергии на помол. Полученная сметанообразная масса (шлам) корректируется до заданного состава и направляется на обжиг. За счёт испарения воды шлама в печи расход тепла на обжиг увеличивается н в зависимости от размера и конструкции печи составляет 5,45-6,7 Мдж/кг (1300-1600 ккал/кг) клинкера. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по схеме мокрого способа, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется (обычно в виде гранул) и поступает на обжиг. Расход тепла при этом составляет около 4,19 Мдж/кг (1000 ккал/кг) клинкера.

Необходимые свойства цемента достигаются правильным проектированием сырьевой смеси и получением в процессе производства цемента нужного состава: химического состава цемента, минералогического состава цемента, гранулометрического состава цемента и вещественного состава цемента (под минералогическим составом цемента понимается качественный и количественный перечень минералов, входящих в состав клинкера; под вещественным составом-качественный и количественный перечень веществ, входящих в состав готового цемента). Правильное проектирование сырьевой смеси — одно из важнейших условий, обеспечивающих нормальное протекание и полное завершение процессов клинкерообразования при обжиге и высокие экономические показатели производства цемента. Контроль качества готового цемента осуществляется на основе требований соответствующих ГОСТов. Стандартизованы также методы физико-механических испытаний при определении свойств цемента.

Портландцемент

Портландцемент (от английского слова "Portland" — название полуострова в Южной Великобритании) — гидравлическое вяжущее вещество, состоящее главным образом из силикатов кальция. Портландцемент — наиболее распространённый в современном строительстве вид цемента. Получают Портландцемент тонким измельчением клинкера с гипсом (3-7%). Портландцемент может содержать различного рода активные минеральные добавки (10-15%). Клинкер — продукт обжига (до полного спекания) искусственной сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75% карбоната кальция (обычно известняка) и 25% глины. Обжиг сырья ведут преимущественно во вращающихся печах при 1450-1500°С. Свойства портландцемента зависят главным образом от состава клинкера и степени его измельчения. Важнейшее свойство портландцемента — способность твердеть при взаимодействии с водой. Оно характеризуется маркой портландцемента, определяемой по прочности на сжатие и изгиб стандартных образцов цементно-песчаного раствора после 28 суток твердения во влажных условиях. Патент на него был получен в Англии Д.С. Аспдиным в 1824 году.