Из чего делают цемент

Чтобы лучше понимать свойства цемента, предлагаем разобраться с его составом и узнать, из чего и как делают этот универсальный строительный материал.

Начнем с определения. Словари сообщают нам, что название этого вещества произошло от латинского слова «caementium», что означает «битый камень». В Древнем Риме цемент получали, измельчая и перетирая мелкие осколки горных пород, отсюда и его название. Затем порошок смешивали с гашеной известью и использовали для скрепления каменной кладки. Чем же отличается современный строительный материал от того, который когда-то использовался для акведуков и пристаней?

Цемент — это гидравлическое вяжущее средство минерального происхождения. Такое сложное определение на деле означает несколько простых вещей. Во-первых, для приготовления цемента используется минеральное сырье, то есть горные породы. Во-вторых, он способен застывать под водой и не растворяться после твердения, в отличие от других минеральных составов (например, гипса). В третьих, исключительная вязкость цемента позволяет изготавливать на его основе различные строительные растворы, обладающие высокой прочностью. Из чего же делается цемент?

Его составляющие:

• клинкер (сплав известняка и глины);
• минеральные добавки;
• гипс.

Каждый ингредиент мы будем рассматривать подробно, чтобы понять, какую роль он играет в готовой смеси.

Химический состав цемента

Итак, мы знаем, из чего состоит цемент, но за счет чего получают разные виды этого строительного материала? Дело в том, что свойства сортов цемента зависят от пропоций перечисленных компонентов, а также от различных минеральных добавок, влияющих на его химический состав.

Для примера рассмотрим составные части портландцемента, который более всего востребован в строительной промышленности:

• CaO — это формула оксида кальция, более известный нам как негашеная известь — его минимальная доля в цементе 62%;
• SiO2 – диоксид кремния или кремнезем — не менее 20%;
• Аl2O3 – оксид алюминия или глинозем — не менее 4%;
• Fe2O3 — оксид железа, магнитный железняк — 2%;
• MgO — оксид магния или жженая магнезия — 1%.

Оставшаяся процентная доля — это дополнительные присадки, которые вводятся в состав цемента для достижения требуемых характеристик.

Таким образом, точную химическую формулу цемента вывести не удается, ведь существуют разные сорта и марки этого материала, которые отличаются друг от друга по составу. Поэтому более важной информацией о цементной смеси является список минералов, которые туда входят.

Теперь вернемся к основным компонентам цемента и рассмотрим их более детально:

Клинкер — основной ингредиент при производстве любого цемента. Это смесь известняка и глины, взятых в пропорции 3:1. Именно такое соотношение дает нужную прочность готовому материалу. Сырье нагревают при температуры почти 15000 до тех пор, пока оно не начнет плавиться и образовывать отдельные частицы. Диаметр этих гранул — от 1 до 6 см. Они содержат около 5% глинозема и 3% оксида железа. Клинкерные частицы для дальнейшей обработки дробятся в мельчайшую пыль;

Гипс — компонент, влияющий на скорость твердения цемента, а также на его прочность, усадку. Максимальное содержание гипса в цементной смеси — 6%.

Дополнительные вещества, с помощью которых получают разные сорта и модификации цемента.

Среди смесей можно выделить несколько наиболее известных и востребованных в разных областях строительства.

Портландцемент

Это цемент на клинкерной основе с добавлением силикатов кальция и других веществ. Используется для изготовления бетона и железобетона разной скорости твердения.

Сульфатостойкий

Главная характеристика этого вида — стойкость к воздействию кислот, солей, других химических соединений. Из бетона на основе сульфатостойкого цемента можно, например, отливать сваи для различных построек. Их не будут разрушать грунтовые воды, агрессивные элементы почвы. Мосты, насосные станции, септики, водозаборные сооружения также строят с помощью сульфатостойких смесей.

Пуццолановый

Имеет сходство с сульфатостойким, но включает большое количество активных добавок (до 35%). Чрезвычайно устойчив к воздействию воды, поэтому широко используется для подводного, подземного строительства, сооружения шлюзов, тоннелей, шахт и т. д.

Глиноземистый

Как можно понять из названия, в этом составе повышено содержание глинозема, поэтому такая смесь быстро набирает прочность как на воздухе, так и в воде. Глиноземистый цемент используют для ремонтных работ (например, быстрой заделки трещин или пробоин), срочной починки дорог, скоростного зимнего строительства.

Кислотоупорный

Применяется в химической промышленности — для изготовления резервуаров, облицовки оборудования. Состоит из веществ, не поддающихся влиянию кислот, разводится натриевым или калиевым жидким стеклом. От постоянного действия воды разрушается, поэтому требует специальных гидрофобных присадок.

Пластифицированный

Производится с добавлением специальных веществ, замедляющих схватывание раствора, делающих его более текучим. Такой цемент требует меньше воды при замешивании, а значит, бетон на его основе получается более прочным. К тому же этот вид обладает повышенной стойкостью к низким температурам, коррозии.

Шлакоцемент

80% от его объема занимает гранулированный шлак, который измельчается вместе с клинкером и гипсом. Это позволяет снизить цену строительного материала примерно на 1/10. Получившийся состав хорошо переносит высокие температуры, не боится воздействия пресной и минеральной воды.

На практике в строительных работах чаще всего используют портландцемент М500, как наиболее универсальный.

Сырьевые материалы

Цемент производят на заводах, которые находятся в непосредственной близости от мест разработки горных пород, служащих сырьем для строительного материала. К естественному сырью для цемента относятся:

• карбонатные минералы. К ним принадлежат известняки, доломиты, мергели, а также смеси этих пород. Большинство этих минералов было образовано на дне морей и озер осадочным способом. Толщина пластов может достигать нескольких сотен метров. Кристаллическая решетка разных видов карбонатных минералов имеет разную степень устойчивости. Это определяет их способность сплавляться с другими компонентами в процессе изготовления цемента.
• глинистые материалы. Мелкодисперсные породы, которые также были образованы осадочным способом. Состоят из основы — глинистого вещества и большого количества примесей. Это сырье при добавлении воды увеличивается в объеме, становится вязким, пластичным.

Остановимся подробнее на основных сырьевых компонентах, входящих в состав цемента.

Карбонатные породы

Главными представителями семейства карбонатных пород считаются:

Мел — мягкая горная порода, которая легко крошится и перетирается до пылеобразного состояния. В составе цемента может содержаться до 20-25 процентов мела. Эта добавка улучшает сцепление цемента с песком в процессе приготовления раствора;

Мергелистый известняк или мергель является переходным звеном между известняком и глинистыми породами. На вид это слоистый или монолитный камень, твердость которого зависит от того, какой процент глины в нем содержится;

Известняки, не содержащие кремний. Чаще всего они представлены в виде ракушечника, пористого и легко разрушающегося при нажатии;

Доломитовые породы, обладающие исключительной прочностью. Доломитовый цемент — это продукт высокого класса, экологически чистый, быстро твердеющий.

Содержание карбонатных пород в цементе обычно ограничивается 30%, но в отдельных случаях может достигать 60%.

Глинистое сырье

Существует несколько видов глинистых пород:

• чистая глина, состоящая из одного или нескольких глинистых минералов. Она разбухает под воздействием воды и обладает способностью связывать между собой другие вещества;
• суглинок, в котором кроме глины содержится большое количество песка и пыли;
• глинистые сланцы, образованные наслоением глины и ила. Не растворяются в воде, легко делятся на слои. Сланец используют как самостоятельный строительный материал и как составную часть цементной смеси;
• лесс — однородный пористый суглинок. Легко впитывает воду, приобретая текучесть. Очень мягкий, его можно растереть руками в мелкую пыль.

При производстве цемента в его состав кроме естественного сырья включают некоторые промышленные отходы (шлак, золу, целлюлозу и др.).

Корректирующие добавки

Помимо перечисленных компонентов, которые составляют основу цементной смеси, туда вводят ряд специальных добавок — пластификаторов. Базой для их изготовления тоже служат ископаемые:

• апатиты;
• глина;
• кремнезем;
• глинозем;
• плавиковый шпат.

Сухие пластификаторы добавляют в цемент на этапе его изготовления. Существуют жидкие добавки, которые применяют для замешивания на строительных площадках. Делают это для того, чтобы улучшить качество материала, придать ему дополнительные свойства:

• устойчивость к разрушению и коррозии;
• сохранение прочности при перепадах температуры, при замораживании и оттаивании;
• повышенную прочность;
• увеличенный срок схватывания;
• текучесть и пластичность раствора;
• водонепроницаемость.

Покупка цементных смесей на развес — это риск приобретения некачественного товара. Поэтому для стройки или ремонтных работ лучше брать материал в заводской упаковке, с указанием производителя, марки, даты изготовления. Старый цемент теряет свои качества и не позволит получить прочный монолит.

Как делают цемент

Как и из чего делают цемент на заводе, в общих чертах поясняет схема:

Согласно ей, изготовление цементой смеси происходит по следующей технологии:

1. Добыча и измельчение горных пород, из которых формируется клинкер. Он, как мы уже знаем, состоит на ¾ из глины, а на ¼ — из известняка. Проще всего использовать мергель, который имеет тот же состав. Но, во-первых, это ископаемое бывает разных видов и не каждый из них подходит для производства клинкера. Во-вторых, запасы мергеля в природе ограничены, а на его образование уходят миллионы лет. Поэтому чаще всего основные компоненты цемента добывают по отдельности и смешивают на заводах в нужной пропорции.
2. Тщательно измельченную смесь помещают внутрь печи, где при температуре около 1500оС она обжигается в течение 4 часов. К концу обработки достигается эффект гранулирования подплавленной массы.
3. Далее полученные гранулы охлаждают и измельчают до состояния порошка с помощью специальных барабанов. Однородность помола достигают, просеивая порошок через сито с определенным размером ячеек.
4. Перемолотый клинкер смешивают с другими ингредиентами, после чего временно хранят в силосах, а потом отправляют на фасовку и хранение.

Эта технология производства цемента остается неизменной для всех способов его изготовления.

Сухой способ

Это сравнительно быстрый и экономичный способ производства цемента. Он делится на несколько этапов:

1. Добытое сырье в непрерывном режиме доставляется на завод, где измельчается несколькими дробилками.
2. Затем получившиеся гранулы сушат, чтобы упростить следующие этапы.
3. Просушенные частицы глины и известняка смешивают в нужной пропорции и перемалывают, получая цементную муку.
4. Порошок помещают в печь, где обжигается, не спекаясь.
5. После этого цемент фасуют в мешки или на специальных машинах отправляют на складирование.

Изготовление сухим способом подходит для однородного сырья с низкой влажностью. При этом не требуется больших энергозатрат на просушивание компонентов.

Мокрый способ

Если в производстве цемента используется влажный материал или ингредиенты требуют тщательного перемешивания, применяют мокрый способ.

1. Клинкер готовят, добавляя в воду глину и известняк. Получается кашеобразная вязкая масса — шлам.
2. Насосами его перекачивают в печной цех, где шлам отправляется на обжиг. Печь представляет собой длинное вращающееся сооружение. Там материал оплавляется и превращается в клинкер.
3. Гранулы после обжига охлаждаются, дробятся и перемалываются вместе с гипсом и остальными добавками.
4. На заключительном этапе цемент фасуется и готовится с складированию.

Мокрый способ позволяет сэкономить энергию при смешивании сырья, так как это легче делать в полужидком состоянии. Однако при обжиге шлама расходуется гораздо больше топлива, чем при работе с сухими гранулами. Поэтому мокрое производство цемента получается более дорогим.

Комбинированный способ

Этот метод заключается в том, чтобы смешать компоненты, затворяя их водой, а затем удалить жидкость и продолжать обработку сырья по сухому способу. Этапы производства выглядят так:

1. Сырьевая смесь замешивается, образуя шлам.
2. С помощью вакуума или пресса из него устраняется влага.
3. Образовавшиеся куски «сухаря» поступают во вращающуюся печь и дальнейшие этапы проходит по сухому методу.

Имея представление как и из чего делают цемент, легко понять, насколько важно качество сырья и соблюдение технологии при изготовлении этого строительного материала.