Из чего делают цемент: технология производства, виды, состав

Производство цемента начинается с добычи сырья. Основными материалами являются известняк, глина, мергель и мел – эти породы добываются открытым способом; как правило, в карьерах.

После добычи сырье транспортируется на цементные заводы, где оно дробится и измельчается для последующего смешивания и обжига.

Способ производства бывает сухой или мокрый.

• Сухой метод экономит энергию, а мокрый дает более однородную смесь.
• В мокром методе сырье смешивают с водой, что позволяет лучше контролировать состав и качество клинкера.

Состав

Основой цемента является клинкер, который получают из известняка и глины.

• Известняк – основной источник оксида кальция (CaO), обеспечивающий прочность цемента.
• Глина – содержит оксиды кремния (SiO₂), алюминия (Al₂O₃) и железа (Fe₂O₃), которые придают цементу необходимые свойства.

Мергель и мел используются в качестве альтернативы известняку и глине – чаще всего такой подход встречается в мокром методе производства.

1. Опционально в цемент может добавляться гипс, чтобы смесь не застывала слишком быстро.
2. Для увеличения прочности в состав вводятся специальные минеральные добавки.
3. В некоторые марки цемента добавляют шлак — это побочный продукт сталелитейного производства, который улучшает устойчивость бетона к воздействию воды и температурных колебаний.

Этапы производства цемента

Обжиг клинкера

Это ключевой этап в производстве цемента. Он происходит в специальных печах, где сырьевая смесь нагревается до высоких 1450°C. В результате образуются минералы, которые придают цементу его уникальные свойства.

Технология обжига

Обжиг клинкера осуществляется в специальных вращающихся печах, которые оснащены циклонными теплообменниками для предварительного нагрева сырья. Габариты этих печей могут достигать 4×60 метров.

Температура обжига достигает 1450°C в зоне спекания. Это необходимо для образования алита — главного минерала клинкера.

Процесс обжига включает в себя следующие стадии:

• декарбонизация;
• экзотермические реакции;
• спекание.

В зоне спекания материал частично плавится, образуя расплав, который составляет 20-30% объема обжигаемой массы.

Типы обжига

1. Резкий обжиг – это быстрое нагревание до максимальной температуры; используется в сухом методе производства.
2. Постепенный – материал нагревается постепенно по всей длине печи; применяется в мокром методе.

Охлаждение клинкера

После обжига клинкер охлаждается в колосниковых холодильниках до температуры около 200°C. Это необходимо для предотвращения дальнейших реакций и сохранения качества клинкера.

Помол

Помол клинкера — завершающий этап в производстве цемента. На этой стадии клинкер измельчается в порошок, который затем смешивается с гипсом и другими добавками для получения готового цемента.

Тонкость помола влияет на прочность и скорость твердения цемента. Чем мельче помол, тем быстрее схватывается бетон. Оптимальное сочетание мелких и крупных зерен дает лучшие физико-механические свойства цемента.

Технологии помола

• Шаровые мельницы представляют собой металлические барабаны, футерованые бронеплитами для защиты от износа.
• Вертикальные валковые мельницы — современный тип мельниц, которые позволяют более точно контролировать размер частиц.
• Комбинированный помол — используется для достижения оптимального гранулометрического состава цемента.

Для повышения эффективности помола применяются интенсификаторы. Они образуют мономолекулярный слой на частицах клинкера, что уменьшает их слипание и увеличивает удельную поверхность.

Гипс в цементе

Гипс — это природный минерал, состоящий из гидратированного сульфата кальция. Он добывается из месторождений, образовавшихся на древних морских днах; его цвет может варьироваться от белого до коричневого.

Роль гипса в цементе

• Замедление схватывания — гипс предотвращает мгновенное затвердевание цемента, давая время на транспортировку и укладку бетона.
• Образование эттрингита — при смешивании с водой гипс реагирует с алюминатами цемента, образуя эттрингит. Эти кристаллы покрывают частицы цемента, сохраняя смесь пластичной и работоспособной.
• Охлаждение — гипс снижает выделение тепла во время гидратации, что предотвращает быстрый нагрев смеси.

Как правило, доля гипса составляет от 3 до 4% от общей массы цемента. В некоторых видах цемента, таких как быстротвердеющий, его содержание может быть уменьшено до 2,5%.

Использование специальных добавок

Добавки в цемент — это вещества, которые вводятся в смесь для улучшения ее свойств или придания новых характеристик. Например, это может быть повышение устойчивости к воде, морозу или кислотам.

Добавки бывают минеральными, органическими или химическими. Они используются для регулирования различных параметров бетона и растворов.

Виды добавок по типу действия

1. Пластификаторы — увеличивают подвижность и пластичность смеси, снижая водопотребность. Используются для улучшения удобоукладываемости бетона.
2. Ускорители схватывания — уменьшают время затвердевания бетона, что важно для ускорения строительных работ; но они могут вызывать коррозию арматуры.
3. Замедлители схватывания — позволяют продлить время работы с бетоном, что особенно важно в жаркую погоду или при транспортировке.
4. Вовлекатели воздуха — улучшают морозостойкость бетона, создавая воздушные поры, которые поглощают воду и предотвращают ее замерзание.
5. Ингибиторы коррозии — защищают арматуру от коррозии, продлевая срок службы железобетонных конструкций.
6. Противоморозные добавки — позволяют работать с бетоном при низких температурах, что очень важно в зимних условиях.
7. Полимерные добавки — улучшают гидроизоляционные и антиморозные свойства бетона.

Минеральные добавки

• Пуццоланы — вулканические пеплы, туфы и диатомиты, которые улучшают прочность и долговечность бетона.
• Гранулированный шлак — побочный продукт сталелитейного производства, снижающий тепловыделение и улучшающий морозостойкость.
• Микрокремнезем — увеличивает прочность и плотность бетона; применяется в высокопрочных бетонах.

Виды и марки цемента

Цемент — это целая группа продуктов с разными свойствами и областями применения. В зависимости от состава и добавок цемент делится на несколько видов и марок, каждая из которых имеет свои характеристики.

Виды цемента

1. Портландцемент (ПЦ I) — самый распространенный вид, используется в большинстве строительных работ. Изготавливается без минеральных добавок.
2. Портландцемент с минеральными добавками (ПЦ II) — содержит до 35% добавок, что снижает скорость твердения и стоимость.
3. Шлакопортландцемент (ШПЦ III) — содержит гранулированный шлак, используется для морозостойких бетонов.
4. Пуццолановый цемент (ППЦ IV) — содержит пуццоланы; применяется для бетонов, твердеющих в сухих условиях.
5. Композитный цемент (КЦ V) — содержит несколько видов добавок, имеет широкий спектр применения.

Специальные виды цемента

1. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) — набирает прочность максимально быстро, используется для аварийных ремонтных работ.
2. Сульфатостойкий портландцемент (СС) — используется в агрессивных средах, где присутствуют сульфаты.
3. Белый портландцемент (БЦ) — используется для отделочных работ, где особенно важен внешний вид.
4. Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) — применяется для гидротехнических сооружений.

Марки цемента

Марки цемента обозначаются буквой «М» и цифрой, указывающей прочность на сжатие через 28 дней.

• М100 используется для бетонной подготовки, подстилающего слоя тротуаров.
• М200 применяется для штукатурных смесей, стяжки и легких фундаментов.
• М300 — для строительства зданий общего назначения.
• М400 — для бетонирования напольного основания, заделки швов и штукатурных работ.
• М500 — для ответственных конструкций, которые требуют высокой прочности и водостойкости.