Особенности
Цемент распространен повсеместно. Он применяется не только при возведении всевозможных строений. Без него не обойтись при проведении реставрационных и ремонтных работ. Пока еще замены цементу не существует. Этим оправдывается его востребованность.
Основой строительного материала являются вяжущие неорганические составляющие. Цемент необходим при производстве панельных плит. Из него делают штукатурные и кладочные растворы. В составе бетонов цементу отводится одно из главных мест.
По сути, цемент – это мелкодисперсный порошок. Основная особенность порошковой массы заключается в том, что при взаимодействии с водой она постепенно начинает твердеть. Процесс взаимодействия двух компонентов (цемента и воды) завершается образованием сплошного массива, по твердости схожего с природным камнем.
Прочная структура образуется при избыточной влажности. Происходит реакция как на открытом воздухе, так и в воде. Цемент после отвердевания сохраняет прочность длительное время.
Из чего делают цемент: состав и основное сырье
В состав цемента входят следующие компоненты:
- Известь (оксид кальция, CaO) – 60%.
- Кремниевый диоксид (SiO2) – 20%.
- Алюминий (глинозем, Al2O3) – 4%.
- Гипс и оксиды железа (Fe2O3) – 2%.
- Магния оксид (MgO) – 1%.
Указанное процентное соотношение перечисленных компонентов характерно для наиболее популярного вида цемента – портландцемента. Оно может несколько видоизменяться. Все зависит от технологии производства и класса цементной продукции.
Основное, из чего делают цемент – это клинкер. Так называют продукт обжига исходного сырья – известняка и глины, которые берут в пропорции 3:1. Клинкер – это полуфабрикат для получения цемента. После обжига при температуре до 1500 °C клинкер измельчают, в результате чего он оказывается представлен в форме гранул диаметром до 60 мм.
При измельчении в состав клинкера вводят добавки:
- Гипс (CaSO42H2O), регулирующий сроки схватывания.
- Корректирующие добавки (до 15-20%), улучшающие определенные свойства цемента: пластификаторы, присадки и пр.).
В качестве главного исходного сырья для производства цемента используются разные горные породы:
- Ископаемые карбонатного типа. Могут иметь аморфную или кристаллическую структуру, которая определяет, насколько эффективно материал будет взаимодействовать с другими компонентами в составе при обжиге.
- Осадочного происхождения. Это глинистое сырье с минеральной основой, которое при избыточном увлажнении становится пластичным и разбухает, т. е. увеличивается в объеме. Главная особенность материала – вязкость, которой обусловлено его применение при сухом процессе производства.
Карбонатные породы
Среди карбонатных пород для производства цемента используются:
- Мергелистый известняк, или мергель. Содержит в себе примеси глины, поэтому считается переходным материалом между карбонатными и глинистыми породами.
- Мел – разновидность мажущего известняка, которая характеризуется легкостью в перетирании.
- Ракушечник. Для него характерна пористая структура, которая не слишком устойчива к сжимающим нагрузкам.
- Доломитовые породы. Из всех видов карбонатных пород отличаются самыми ценными физическими свойствами.
Глинистые породы
К глинистым породам, используемым при изготовлении цемента, относятся:
- Глина. Основная разновидность глинистых пород с минеральными включениями в составе.
- Суглинок. Отличается от глины увеличенной концентрацией пылеобразных частиц и песчаной фракции.
- Лёсс. Менее пластичная горная порода. Для нее больше характерны пористость, рыхлость и мелкозернистость. В составе лесса могут присутствовать включения кварца или силиката.
- Глинистый сланец. Из всех видов подобных пород имеет наиболее высокую прочность. При измельчении сланец преобразуется в пластинчатые частицы. В материале мало влаги, его характеризует стабильный гранулометрический состав.
Корректирующие добавки
С целью корректировки в состав цемента вводят специальные минеральные добавки. В первую очередь это модификаторы на базе ископаемых, содержащих:
- железо,
- кремнбелитовый
- плавиковый шпат,
- апатиты,
- глинозем.
Еще корректирующие добавки могут быть представлены промышленными отходами с других производств. В качестве них используются:
- пиритные огарки;
- пыль из доменных печей;
- белитовый шлам;
- минерализаторы.
Применение добавок позволяет улучшить характеристики цемента и бетонного раствора, который готовится на его основе. Каждый из модификаторов придает смеси особые свойства, к примеру:
- CemFrio – обладает противоморозным, пластифицирующим и ускоряющим действиями.
- CemPlast – позволяет получить высокоподвижную бетонную смесь с повышенной удобоукладываемостью, а также повысить активность вяжущего, т. е. цемента, и обеспечить полноту гидратации.
- CemAqua и CemAquaStop – гидроизолирующая дводоредуцирующаясное водоотталкивающее средство для обработки поверхностей.
- CemBase – увеличивает прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и долговечность бетонных изделий.
- Plastix – многофункциональная водоредуцирующая и пластифицирующая добавка, повышающая марочную прочность бетонных изделий.
- CemFix – добавка-ускоритель, используемая для бетонных смесей, к которым предъявляются требования высокой ранней прочности.
Свойства
Физические характеристики цемента зависят от нескольких факторов.
Наиболее значимыми являются:
- виды добавок;
- степень помола;
- состав.
Тонкость помола цемента влияет на прочность и время, необходимое для затвердевания. Мелкий помол обеспечивает большую прочность и более быстрое застывание.
Для определения тонкости помола используют специальное сито с мельчайшими ячейками до 80 мкм. При приготовлении раствора из цемента слишком мелкого помола требуется больше воды. Устраняется этот недостаток путем смешивания частиц разного размера: крупных и мелких. Крупными считаются пылинки в 80 мкм, а мелкими – в 40 мкм.
Цементу присущи следующие свойства:
- прочность;
- коррозионная стойкость;
- морозоустойчивость;
- водопотребность;
- время схватывания (застывания).
Прочность
Этот показатель зависит от марки. Определяют прочностные свойства посредством проведения испытаний на сжатие. Опытную болванку выдерживают под нагрузкой в течение лунного месяца – 28 суток. После испытаний образца цементу присваивается соответствующее обозначение. Измеряется прочность в МПа.
Коррозионная стойкость
Железобетонные изделия под воздействием воды и других жидких сред начинают коррозировать. Устраняется негативное воздействие несколькими способами. Например, можно изменить состав, ввести в порошковую смесь гидроактивные материалы. Наличие специфических веществ препятствует возникновению пагубных химических реакций.
Коррозионная стойкость увеличивается при использовании полимерных добавок. В результате микропористость снижается, повышается долговечность изделий.
Наибольшей коррозионной защитой обладает пуццолановый цемент. Поэтому он используется для строительства сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности.
Морозоустойчивость
Одним из основных показателей качества цементы считается способность неоднократного замораживания и оттаивания бетонного изделия.
В цементном камне имеются микропоры, в которых находится вода. При замерзании вода может увеличиться в объеме на 8%.
В строительстве цемент без добавок не применяется. В разные марки добавляются компоненты, придающие цементу способность сопротивляться перепадам температуры.
В процессе изготовления бетона в него включаются добавки, вовлекающие воздух. Мельчайшие пузырьки воздуха распределяются равномерно внутри бетонного тела, чем решают проблему, связанную с замерзанием воды и ее расширением.
Водопотребность
Это выраженное в процентах количество воды, которое требуется для получения цементного раствора оптимальной консистенции.
В растворе номинальной густоты воды столько, сколько способен удержать в себе цемент. К примеру, в портландцементе эта величина находится в пределах 22-28 процентов.
Из цемента с низкой водопотребностью бетон получается более качественный, чем из того, у которого этот показатель высок. В первом случае изделия получаются устойчивыми к температурным перепадам. Во втором – бетон обладает повышенной пористостью и вовсе не пригоден для строительства. Такой цемент используют для производства железобетонных ограждений или дренажных сооружений.
Время схватывания
Это временной отрезок, приходящийся на изменение физических свойств цементного раствора от состояния пластичности до образования камня.
Идеальным считается раствор, застывающий не слишком быстро, но и не очень медленно. Время схватывания регулируется наличием в составе материала определенного количества гипса. Больший объем гипса обеспечивает скоростное схватывание. В то время как снижение его содержания способствует более продолжительному застыванию раствора.
По стандарту в нормальных условиях портландцемент начинает схватываться спустя три четверти часа. Процесс затвердевания должен закончиться через 10 часов.
Состав
Полная химическая формула стройматериала довольно сложная. Он содержит следующие вещества:
- кальциевый оксид в количестве 67%;
- кремниевый диоксид в объеме 22%;
- алюминиевые окиси порядка 5%;
- оксид железа, содержание которого составляет 3%;
- модифицирующие компоненты – не более 3%.
Основу стройматериала составляют следующие ингредиенты:
клинкер, произведенный из глины и известняка. От качества клинкера зависят прочностные свойства. Клинкер – это главный компонент, произведенный при нагреве известково-глинистого состава во вращающейся печи. При обжиге плавится глиносодержащее сырье и известняковые материалы с образованием гранул, насыщенных кремнеземом. Затем производится повторный отжиг и дробление клинкера до пылеобразного состояния;
До сих пор аналогов данного стройматериала еще не найдено, что свидетельствует об уникальных свойствах цемента
- компоненты минерального происхождения. Введение специальных добавок расширяет сферу применения, повышает эксплуатационные характеристики, придает необходимые свойства. Добавляются гранулированные шлаки, измельченные сланцевые материалы, пуццолановые ингредиенты и измельченная известь. В нормативных документах, регламентирующих состав стройматериала, имеется информация о содержании в минеральных компонентах различных химических веществ;
- специальные добавки и вспомогательные компоненты, содержащие сульфат кальция. Добавление данных ингредиентов не оказывает влияния на скорость поглощения влаги и продолжительность использования рабочей смеси. Изменение концентрации кальциевого сульфата, входящего в состав модификаторов, позволяет регулировать в необходимых пределах продолжительность процесса гидратации. Для этого производится добавление гипсового порошка.
Кроме указанных основных составляющих, вводятся специальные присадки, повышающие устойчивость цементного состава к высокой температуре, воздействию кислот, щелочей, агрессивных сред. Добавки также повышают влагостойкость, улучшают адгезию со стальной арматурой, а также влияют на подвижность цементного раствора.
В сухом виде — это сыпучая однородная масса серого цвета
Оборудование для изготовления
Цена оборудования для производства цемента зависит от комплектации техники, производителя и функциональности. Линия по производству цемента комплектуется в зависимости от способа его изготовления. Известняк истирается с помощью специальных дробильных устройств, которые стоят в пределах 250 тысяч рублей за одну штуку. Чтобы измельчить глину с помощью воды, необходимо приобрести специальные смесители, цена которых варьируется в диапазоне 300 тысяч рублей. Самый дорогостоящий аппарат – это шаровая трубная мельница, где состав измельчается и смешивается до нужного состояния. Стоит конструкция не менее 3,5 млн. рублей. Не обойтись при изготовлении цемента без вращающейся печи для обжига, в которой завершаются химические реакции, и получается клинкер. Готовый продукт нуждается в охлаждении, для которого нужен специализированный холодильник. Промышленные охлаждающие аппараты бывают:
- рекуператорные (до -150 градусов),
- барабанные (до – 200 градусов),
- колосниковые (до – 120 градусов).
Многие предприниматели стараются купить комплект состоящий из вращающейся печи и холодильника. Стоит оборудование в пределах 300 тысяч рублей. После охлаждения клинкер вместе с гипсом и другими добавками измельчается в шаровой трубной мельнице. Получается, что цена мини завода по производству цемента будет варьироваться в пределах 4,5 млн. рублей. Но ещё нужны производственные помещения, транспорт, упаковочные устройства и материалы. Кстати, специалисты считают, что самым удачным местом расположения собственного цеха станет карьер, где добывается глина или известняк, купленный или взятый в аренду. Это поможет значительно снизить себестоимость готового продукта, что положительно повлияет на конкурентоспособность предприятия. Преимуществом открытия такого бизнеса является то, что цемент можно производить в любых количествах: чем больше, тем выгоднее. Единственное, что может помешать организации большого завода — это количество финансовых вложений в оборудование.
Описание мини-завода – отличия от масштабных линий производства
Согласно официальным статистическим данным, спрос на цемент растет с каждым годом на 5%. Для удовлетворения локального дефицита в конкретном районе города или области имеет смысл организовать небольшое производство. В этом случае строить крупномасштабный завод нет смысла.
Производство цемента в России
Мини-линию можно установить вблизи стройки и не тратить дополнительные средства на транспортировку, что снизит себестоимость продукции. И строительной компании от этого будет своя выгода, поскольку снизится и розничная цена цемента. Часто компании заключают подрядные договоры с мини-заводами, размещают комплекс на своей территории и имеют более выгодные условия.
Плюсы мини-завода по изготовлению цемента:
- можно установить его на небольшой площади, даже на улице;
- мобильность – можно легко собрать/разобрать и перевезти на новое место;
- экономичность – низкое потребление ресурсов (воды, электроэнергии, топлива);
- быстрая окупаемость вложенных средств;
- сервисное обслуживание – производители предлагают своих специалистов для отладки процесса изготовления, а также гарантийное обслуживание мини-линии в течение года.
Его недостатком является только более низкая производительность, по сравнению с крупными заводами, однако, и в этом есть преимущество – не нужно больших складских помещений. А если есть договоренность со строительными компаниями, то можно поставлять для них цемент без упаковки – это снизит себестоимость.
Производство цемента
Все разновидности цемента производятся по одной технологии. Могут отличаться составляющие и их пропорции, добавляться какие-то минеральные и другие вещества в конце, но само производство всегда предполагает определенные этапы и действия. Все современные смеси составляются на базе портландцемента.
Упрощенное описание технологии производства цемента:
- Получение первичного сырья: перемолотый известняк и глина смешиваются в шлам в пропорции 4:1.
- В процессе обжига шлама при температуре +1500 градусов по Цельсию сырье спекают в твердую массу, которая называется клинкер.
- Клинкер очень мелко смалывается до состояния порошка.
К клинкерному порошку добавляют минеральные присадки, гипс, чтобы получить цемент с нужными свойствами.
Состав
В составе цемента работают несколько составляющих на молекулярном уровне. Материал представляет собой тонкий порошок серого цвета, а вот компоненты в его химической формуле есть разные и отвечают за те или иные процессы в бетоне.
Какие вещества содержит цемент:
- Кальциевый оксид – в объеме около 67%.
- Кремниевый оксид – в объеме до 22%.
- Алюминиевые окиси – до 5%.
- Оксид железа – в объеме до 3%.
- Разного типа модифицирующие компоненты – максимум 3%.
Материалы, составляющие основу цемента:
Клинкер из глины и извести – от его качества зависят прочность и другие свойства материала.
- Минеральные компоненты – специальные добавки для улучшения характеристик, расширения сферы использования цемента. Это могут быть измельченные сланцевые материалы, гранулированные шлаки, пуццолановые ингредиенты, известь и т.д.
- Вспомогательные компоненты с сульфатом кальция – для регулирования особенностей прохождения процесса гидратации.
- Специальные присадки – синтетические компоненты, повышающие стойкость к кислотам, температурам, агрессивным средам, щелочам.
Портландцемент отличается по составу не только из-за добавления в него компонентов в процессе производства, но и из-за особенностей мест добычи сырья. Так, в каждом регионе цемент другой, хоть и отличия несущественные.
Варианты составов материала:
- Разные виды глины (включая глинистый сланец и лесс).
- Мергель, известняк, мел, другие карбонатные породы.
- Минеральные присадки: кремнеземы, глиноземы, апатит, флюорит, плавиковый шпат, гипс, фосфогипс и т.д.
Прочность
Прочность является одним из самых важных свойств цемента, которое определяет сферу применения, предполагаемые нагрузки, технические характеристики конструкции из бетонного монолита. Нормативную прочность на сжатие цемент приобретает по прошествии 28 дней с момента затворения.
Прочность можно посмотреть по марке (самые популярные марки цемента М300, М400 и М500, указывают на прочность в кг/см2) и классу (указанным маркам соответствуют примерные показатели В20, В30 и В40). Приготовленный раствор твердеть начинает в течение 1-2 часов, завершается процесс минимум через 12 часов после укладки.
Далее появляется гидратационное тепло и бетон набирает прочность в течение 28 суток. При низких наружных температурах тепло позволяет цементу набрать полный цикл прочности, при высоких – может спровоцировать ускорение прохождения реакции, в результате чего распространяются трещины из-за появления температурных напряжений.
Прочность цемента смотрят на упаковке и в специальных таблицах, для каждой сферы и типа конструкции, определенной нагрузки ищется оптимальный показатель. На прочность влияет также соблюдение технологии замешивания раствора, укладки, ухода после.
Основные марки
Марки цемента обозначаются буквой М и цифрами от 25 до 1000. Самые распространенные марки – М100, М200, М300, М400 и М500. Остальные применяются для конкретных задач и намного реже. Самые универсальные и прочные марки цемента – М400 и М500. Как было указано выше, цифры рядом с индексом говорят о нагрузке в кг/см2, которую может выдержать застывший камень.
Марки ниже М100 и М200 применяются для штукатурки, кладки, выше М600 – для возведения объектов особого назначения (военных, бункеров, ракетных шахт и т.д.).
Кроме прочности, маркировка цемента может представлять много другой важной информации
В первую очередь, обращают внимание на буквы.
Что обозначают буквы в маркировке цемента:
- ПЦ – портландцемент.
- ШПЦ – шлако-портландцемент.
- Б – быстротвердеющий состав.
- СС – вяжущее с сульфатостойкими свойствами.
- ПЛ – цемент уже с пластификатором в составе.
- Н – нормированный, цемент с подтвержденной прочностью.
- ВРЦ – водонепроницаемый цемент (применяется в возведении гидротехнических сооружений).
Также по ГОСТу 31108 указывают наличие добавок в порошке: I обозначает, что добавок нет; II – в цементе есть минеральные компоненты. Объем добавок обозначается буквами: А – 6-20% минкомпонентов, Б – 21-35%. Добавками могут выступать пуццолан, шлак, полимеры и т.д. Скорость твердения также обозначается буквами: Н – нормально твердеющее вяжущее, С – скорость средняя, Б – быстротвердеющие смеси.
Добавки в цементе также индексируются буквой Д и цифрами, отображающими процент содержания. Д0 – добавок нет, Д20 – в состав цемента включено 20% добавок, в результате чего вещество получается более пластичным. Общее правило такое: чем выше марка, тем больше прочность; чем выше процент добавок, тем эластичнее цемент (но при критичном содержании прочность может падать).
Наиболее востребованные марки цемента:
- М100, М200, М300 – производство разных элементов и изделий с нужными характеристиками.
- М400 – применяются при заливке сборного/монолитного железобетона.
- М500 – актуален для производства гидротехнических конструкций и плит, которые находятся в воде переменного уровня, для заливки бордюров и тротуаров, фундаментов всех видов.
- М600 – бетонирование сборных конструкций повышенного качества.
- М700 – работа с постройками, где отмечены высокие нагрузки и зоны напряжения.
Как делают белый цемент
Технология производства белого цемента незначительно отличается от технологии производства обычного «серого» материала. Как и обычный «серый» материал, белый цемент выпускают сухим и мокрым способом. Основное отличие технологии – обжиг исходного сырья при высокой температуре и резкое охлаждение в воде.
Клинкер белого цемента характеризуется как «маложелезистый» и содержит в своем составе: минеральные добавки, известняк, гипс, соли и другие компоненты. В качестве исходного сырья для клинкера используются карбонатная и глинистая порода (известняк, каолиновая глина, отходы обогащения, кварцевый песок).
В Российской Федерации белый цемент производится только на одном предприятии – ООО «Холсим (Рус) СМ» (до 2012 года ОАО «Щуровский цемент»). Большинство белого цемента поставляется на рынок России из-за рубежа следующими компаниями: «Холсим» (Словакия), «Cimsa иAdana» (Турция), «AalborgWhite»(Дания) и «AalborgWhite» (Египет).
Основное достоинство белого цемента его уникальная характеристика – белоснежность, а основной недостаток в разы большая стоимость по сравнению с обычным «серым» материалом.
Мокрая технология производства цемента
Производство цемента мокрым методом начинается так же, как и в любом другом случае: с добывания твердого известняка из карьеров, который потом дробят на куски разной величины. Потом куски измельчают в специальных дробильных агрегатах до тех пор, пока фракция известняка не будет равна максимум 8-10 миллиметрам.
Потом на завод доставляют глину из карьера, ее обрабатывают в вальцевых дробилках до тех пор, пока размер кусков не будет равен максимум 100 миллиметрам. Измельченную смесь глины отмачивают в болтушках до момента получения глиняного шлама влажностью в пределах 70%. Потом шлам отправляют в мельницу, где его смешивают и размалывают вместе с известняком.
Далее шлам, влажность которого находится уже на уровне 40%, отправляют в вертикальный бассейн, где осуществляется окончательный процесс корректировки. Данная операция чрезвычайно важна, так как именно тут формируется и обеспечивается правильная химическая формула состава шлама.
После проверки качества шлама его транспортируют для реализации последующих этапов: цементную массу из вертикального бассейна транспортируют в горизонтальный, где смесь хранят до того, как отправить в печь для обжига. Сырье в горизонтальном бассейне постоянно перемешивается механически с использованием сжатого воздуха. Это не позволяет шламу выпадать в осадок и дает возможность полностью гомогенизироваться.
В случае, когда производство цемента предполагает использование сырья с неизменным химическим составом, корректирование состава шлама выполняется в горизонтальном бассейне.
Далее шлам отправляют на обжиг в печь, где он превращается в клинкер. Клинкерная основа, полученная в итоге, отправляется в промышленный холодильник и там охлаждается. Потом клинкер дробят, подают в емкости мельниц, повторно измельчают до состояния порошка.
В случае, когда процесс обжига шлама требует применения твердого топлива, необходимо позаботиться о строительстве дополнительного помещения (где будет храниться, готовиться уголь). Если технологическая схема производства цемента требует применения газообразного/жидкого топлива, процесс обжига клинкера упрощается.
На завершающем этапе производства цемент из бункеров мельниц направляют в специальные помещения, где он хранится. Здесь лаборанты исследуют качество продукции, определяют марку. Только по завершении проверки цемент может отправляться на упаковочные аппараты.
Преимущества
Рассматривая мокрый способ производства цемента, стоит учитывать его плюсы и минусы. Как и любой технологический процесс, данный обладает своими особенностями.
Ключевые достоинства мокрого метода производства цемента:
- Понижение технологических затрат на измельчение сырьевой базы – глина и мел прекрасно намокают в воде в бассейне при первичной обработке, в связи с чем измельчаются легче и проще.
- Транспортировка, усреднение, корректировка шлама осуществляются проще, безопаснее с точки зрения экологии, особенно в сравнении с аналогичными процессами при производстве цемента сухим способом.
- Намного меньше образуется пыли.
- Печи обжига по конструкции простые, надежные, обладают высоким коэффициентом использования пространства (варьируется в пределах 0.89-0.91).
- Есть возможность использовать в производстве компоненты с достаточно «пестрым» (разным) химическим составом, а также обеспечена хорошая гомогенизация шлама.
Недостатки
Недостатков в мокром методе производства цемента мало, но они есть и не учитывать их нельзя.
Основные минусы мокрого метода производства цемента:
- Высокий удельный расход тепловой энергии в процессе обжига сырья. Сырье, которое поступает для обжига, обладает в среднем влажностью до 45%. И для испарения влаги, правильного прогрева компонентов необходимо до 6800 кДж/кг тепловой энергии либо 35% тепловой мощности печи. В связи с такими расчетами часть обжиговой печи функционирует в качестве сушильного агрегата с последующими сложностями.
- Высокий уровень материалоемкости печей для обжига наряду с не очень большой производительностью.
Указанные недостатки приводят к достаточно низкой производительности труда, существенным эксплуатационным и технологическим расходам, что обуславливает высокую стоимость всего производства.
