Введение в цемент
Цемент — это строительный материал, представляющий собой мягкий порошок с высокими адгезионными свойствами, используемый в качестве строительного связующего. Этот важный материал, миллионы тонн которого ежегодно производятся в стране для различных целей, твердеет на воздухе и даже под водой, со временем приобретая большую прочность и обладая неограниченной долговечностью.
Сам по себе цемент не обладает значительной устойчивостью к давлению. Однако при смешивании с песком, гравием и водой для получения раствора или бетона он со временем приобретает необходимую прочность. Другими словами, цементы — это связующие материалы, способные скреплять частицы между собой, образуя единое целое из составляющих элементов.
Научное определение цемента
С научной точки зрения цемент представляет собой соединение оксида кальция (извести) с другими оксидами, такими как оксид алюминия, оксид кремния и оксид железа. Он обладает сродством к воде и постепенно твердеет при контакте с воздухом или под водой, обретая прочность. Это затвердевание не похоже на высыхание глины при потере воды; это химическая реакция, в результате которой образуется новое вещество. После затвердевания цемент не может вновь размягчиться при контакте с водой.
Значение и происхождение слова “цемент”
Термин “цемент” часто используется в общем смысле для описания всех типов связующих материалов, но в более точном значении он относится к липким веществам, применяемым в зданиях и сооружениях в области гражданского строительства. Затвердевание и укрепление цемента происходят в результате гидратации (сочетания с водой) — химической реакции между цементом и водой, которая приводит к образованию микроскопических кристаллов или гелеобразного вещества. Благодаря своей способности затвердевать даже под водой строительный цемент часто называют гидравлическим цементом. Слово “цемент” происходит от греческого термина caementum, что означает “разбивать камень на куски”, как это использовалось в римском растворе, хотя оно напрямую не связано с самим связующим материалом.
История цемента
Цемент в древности
Человек знаком с цементом с древних времён, постепенно осознавая его роль и значение, ежедневно стремясь строить более прочные сооружения, чем раньше. Люди позднего каменного века, жившие охотой и собирательством и перемещавшиеся по обширным территориям в поисках пищи, обитали во временных укрытиях. Сельскохозяйственная революция, датируемая примерно 10 000 годом до н.э., стала стимулом для постоянного поселения и строительства домов. Человек больше не следовал за добычей или стадами с места на место, а оставался в одном месте для ухода за своими полями. На Ближнем Востоке обнаружены остатки целых деревень с круглыми жилищами, называемыми “толуи” (Tholoi), стены которых были сделаны из уплотнённой глины.
Ранние растворы и гидравлический цемент
Раствор, используемый для соединения камней и керамики, представлял собой смесь песка, извести и воды. Для частей конструкций, находившихся под водой, добавляли кремнистый материал, называемый “поззолана”, который делал раствор твёрдым и устойчивым к воде. Фактически происхождение гидравлического цемента (реагирующего с водой) уходит корнями в Древнюю Грецию и Рим. Используемые материалы включали известь и определённый тип вулканического пепла, который медленно реагировал с водой, образуя твёрдую массу. Это липкое вещество составляло раствор и бетон, использовавшиеся в Риме более двух тысяч лет назад, а также в последующих строительных проектах в Западной Европе. Они применяли этот раствор при строительстве башен, стен, дорог, цистерн, бань, храмов, дворцов и крепостей.
Поззолана и истоки современного цемента
Вулканический пепел, добываемый в шахте недалеко от города “Поззола” (современная Италия), был богат алюмосиликатами, и знаменитый цемент “поззолана” времён Древнего Рима получил своё название от этого источника. Сегодня термины поззолана или поззолан относятся либо к самому цементу, либо к любому мягкому материалу, содержащему алюмосиликаты, который в присутствии воды реагирует с известью, образуя цемент. Лучший цемент древности приписывается римлянам.
Цемент в Новое время
Научное производство цемента началось в XVIII веке. В 1756 году Джону Смитону было поручено重建 небольшой маяк Эддистон в Ла-Манше у побережья Корнуолла, Англия. В ходе своих экспериментов он успешно создал материал, напоминающий портлендский камень, путём сочетания нечистого известняка и глины и их обжига. Дальнейший опыт был накоплен в последующие годы путём обжига различных смесей известняка и глины.
Изобретение портлендского цемента
В 1824 году Джозеф Аспдин получил более качественный материал, обжигая смесь известняка и глины в соотношении 1:3. В его методе обжиг в печах достигал таких высоких температур, что расплавленный материал после охлаждения превращался в мелкие частицы. Этот мягкий порошок, при смешивании с водой, затвердевал через несколько часов. Продукт сильно напоминал известняк, добытый в карьере острова Портленд в Англии, и получил название “портлендский цемент” — имя, сохранившееся для современных портлендских цементов и по сей день.
Первое сооружение из портлендского цемента
Первым сооружением, построенным с использованием этого типа цемента, стало здание парламента Великобритании, возведённое в период с 1840 по 1852 год. Производство портлендского цемента быстро распространилось по европейским странам и Северной Америке. Сегодня портлендский цемент остаётся наиболее производимым цементом в мире и имеет более широкое применение.
Научное и промышленное развитие цемента
Позже доктор Бок, президент Американского института исследований стандартов цемента, известный как “Отец цемента”, подробно описал основные компоненты цемента, что было подтверждено экспертами. С тех пор развитые страны продолжают исследования и разработки новых типов цемента, улучшая качество продукции и совершенствуя технологии производства цемента. Сегодня цемент считается крупнейшим промышленным продуктом по весу в истории человечества.
История цементной промышленности в Иране
Цемент в Древнем Иране
Иранцы также с давних времён были знакомы со свойствами глины и известняка как основными сырьевыми материалами для цемента. Они готовили раствор из смеси воды, извести, золы и глины, известный в местных диалектах как “сарудж”, “саро” или под другими названиями. Этот раствор использовался для прочности и гидроизоляции при строительстве бань, цистерн, прудов и важных зданий. В сооружениях, таких как плотина Дез на реке Карун, построенная во времена Шапура II, плотина Банд-е Амир, возведённая при Азуд ад-Даула Дайлами, а также в древних цистернах, применялись аналогичные цементоподобные смеси.
Начало промышленного производства цемента в Иране
Производство цемента в Иране началось в 1933 году с ввода в эксплуатацию цементного завода в Рее с суточной мощностью 100 тонн. Со временем, по мере развития страны, роль и значение этой отрасли, а также производство и потребление цемента неуклонно возрастали.
Современное состояние цементной промышленности Ирана
В настоящее время в Иране насчитывается 35 цементных заводов с годовой мощностью 32,576 миллиона тонн, ещё 10 заводов находятся в стадии строительства. С реализацией этих проектов мощность производства цемента в стране к 2002 году увеличится до 114 000 тонн в день и 37,6 миллиона тонн в год. В 1999 году Иран произвёл 1,39% мирового объёма цемента, заняв 15-е место среди мировых производителей цемента и 8-е место в Азии. Доля Ирана в мировом производстве цемента демонстрирует устойчивый рост: с 0,04% в 1950 году до 1,42% в 1998 году.
Сырьё для портлендского цемента
Основные компоненты цемента
Портлендский цемент в основном состоит из извести (оксида кальция) в сочетании с кремнезёмом (оксидом кремния) и глинозёмом (оксидом алюминия). Необходимая известь добывается из известковых сырьевых материалов, а другие оксиды — из глинистых материалов.
Дополнительное сырьё
Другие сырьевые материалы, такие как кремнистая почва, оксид железа и бокситы, также могут использоваться в меньших количествах для достижения желаемого состава. Ещё один сырьевой материал — гипс, который добавляется до 5% при помоле обожжённого цементного “клинкера” для контроля времени схватывания.
Добыча сырья
Сырьё, используемое в производстве цемента, если оно представляет собой твёрдую породу, такую как известняк, слоистые осадочные породы или некоторые глины, добывается либо в карьерах, либо с помощью взрывов. Некоторые месторождения извлекаются подземными методами. Более мягкие материалы, такие как гипс и глина, непосредственно отделяются шахтёрами от стен карьера. Добытые материалы транспортируются к камнедробилкам и мельницам с помощью грузовиков, железнодорожных вагонов или конвейерных лент. Известняк и глина составляют основное сырьё для производства портлендского цемента, а другие материалы используются как добавки или регуляторы.
Производство цемента
Классификация цементной промышленности
Согласно международной классификации, цементная промышленность относится к группе неметаллических минеральных отраслей.
Методы производства цемента
В основном существует три метода производства цемента:
1- Мокрый метод
2- Полусухой метод
3- Сухой метод
Тип метода зависит от концентрации сырья, поступающего в печь, и количества добавленной воды. Наиболее важным и широко используемым методом производства цемента в мире является сухой метод, на котором также основаны системы обжига большинства цементных заводов в нашей стране.
Процесс производства сухим методом
В процессе производства цемента сухим методом сухое сырьё измельчается и подаётся в печь в виде сухого порошка. В полусухом процессе сырьё сначала измельчается в сухом виде, затем формируется в гранулы перед подачей в печь. В мокром процессе сырьё подаётся в печь во влажном состоянии.
Этапы производственной линии цемента
Производственная линия цемента начинается с карьера и заканчивается на погрузочной станции и упаковке. При производстве цемента сухим методом сначала добываются сырьевые материалы, такие как известняк, глина, мергель (известковая глина), гипс, железная руда и кремнистый камень. Для добычи материалов, таких как известняк, железная руда и гипс, требуется бурение и взрывы с использованием динамита или взрывчатых веществ. Материалы, такие как глина и мергель, не требуют взрывов, и для их складирования используются бульдозеры или аналогичное оборудование.
Четыре основных этапа производства портлендского цемента (сухой метод)
а- Дробление и измельчение сырья
б- Смешивание материалов в нужных пропорциях
в- Обжиг подготовленной смеси в печи (система обжига)
г- Измельчение (размягчение) обожжённого продукта, известного как “клинкер”
а- Дробление и измельчение сырья
Сначала сырьё должно быть раздроблено до размеров менее примерно десяти миллиметров. Для дробления известняка, железной руды, кремнистого камня и крупных комков или обломков глины используются камнедробилки или измельчители. При необходимости, если содержание влаги в материалах высокое, их следует высушить.
После дробления и сушки в современных системах основное сырьё предварительно смешивается с дополнительными материалами в требуемых пропорциях и хранится в специальных силосах, прежде чем отправляется на “мельницы сырья” для измельчения в порошок. В методе сухого производства цемента необходимо, чтобы сырьё было превращено в порошок перед подачей в печь. Чтобы предотвратить комкование и снизить липкость материалов, порошок сырья должен быть высушен и осушён от влаги насколько возможно перед отправкой в силосы хранения.
б- Смешивание материалов в нужных пропорциях
Первоначальный химический состав, необходимый для конкретного типа цемента, достигается путём выборочной добычи и контроля сырья, поступающего в дробилку и мельницу. Более точный контроль достигается путём подготовки двух или более партий сырья с немного различающимся химическим составом.
В сухом процессе эти смеси хранятся в силосах, а в мокром процессе используются резервуары для суспензии. Для обеспечения полного перемешивания сухих материалов в силосе в резервуар подаётся сжатый воздух, вызывающий интенсивное вращение и перемешивание материалов. В мокром процессе резервуары с суспензией перемешиваются с помощью механических устройств, сухого воздуха или их комбинации.
Суспензия, содержащая от 35 до 45 процентов воды, иногда фильтруется, что снижает содержание воды на 20–30 процентов. Отфильтрованный материал затем подаётся в печь, что уменьшает потребление топлива, необходимого для обжига. На стадии мельниц сырья проводится окончательная регулировка смеси сырья, известной как “питание печи”, в результате чего получается мелкий порошок, содержащий необходимые компоненты и готовый к подаче в печь.
На цементных заводах чаще используются шаровые и валковые мельницы. После измельчения сырья в этих мельницах полученный порошок хранится в “силосах сырья”. Ключевым фактором, обеспечивающим равномерную работу печи и повышение качества клинкера и, следовательно, цемента, является однородность состава питания печи, тщательное перемешивание и гомогенность. Для оптимальной гомогенизации сырья используются силосы хранения, оснащённые “пневматическими” системами. Сырьё поступает в силосы хранения сверху, проходит необходимые корректировки и выгружается снизу в печь.
в- Обжиг подготовленной смеси в печи (система обжига)
Первоначальные печи, в которых обжигался цемент, были вертикальными печами бутылочной формы. За ними последовали камерные печи, а затем непрерывные цилиндрические печи. Однако основным оборудованием для обжига цемента в настоящее время является вращающаяся цилиндрическая печь.
Система обжига цемента состоит из трёх частей: “преднагреватель”, “печь” и “охладитель”. Задача преднагревателя — удалить остаточную поверхностную влагу из сырья, высвободить кристаллическую воду, предварительно разложить силикаты и прокалить (превратить в известь) часть карбонатов, присутствующих в сырье.
Основной процесс обжига происходит в печи. Печи для обжига цемента — это большие металлические цилиндры, длина и диаметр которых пропорциональны мощности завода. Этот цилиндр, наклонённый примерно на 3–4 процента, опирается на несколько оснований, оснащённых роликами, и вращается. После прохождения через преднагреватель сырьё поступает в печь с одного конца и благодаря наклону и вращательному движению перемещается к выходу печи и зоне обжига.
На конце печи установлена горелка, которая с использованием различных видов топлива создаёт высокотемпературную среду с температурой выше 1400°C. Для защиты корпуса печи от этой экстремальной жары различные зоны печи облицованы огнеупорными кирпичами, бетоном и огнеупорными массами. Продукт системы обжига, выходящий из печи, называется “клинкер” и представляет собой гранулы серого или коричневого цвета; для обжига одного килограмма клинкера расходуется около 800 килокалорий тепловой энергии.
Клинкер, выходящий из печи, имеет температуру около 1000–1200°C. Восстановление этого тепла и сложность обращения с горячим клинкером делают необходимым его охлаждение. Ещё одним важным аспектом охлаждения клинкера является завершение формирования кристаллов клинкера и повышение его качества. Процесс охлаждения выполняется устройством-охладителем.
Произведённый клинкер, или продукт системы обжига, перед подачей в цементную мельницу хранится в силосах, складах или специальных залах. Наряду с развитием цементной промышленности и прогрессом технологий современный мир наблюдает работу печей с суточной производительностью 5000 тонн.
г- Измельчение обожжённого продукта (клинкер)
Для измельчения “клинкера” используются шаровые мельницы. На этом этапе производственной линии вместе с клинкером, поступающим в цементную мельницу, добавляется небольшое количество сырого гипса. Добавление гипса в смесь цемента регулирует время схватывания клинкера. Продукт, полученный в результате измельчения клинкера и сырого гипса в цементной мельнице, называется “цемент”.
Произведённый цемент хранится в цементных силосах, а затем извлекается с помощью “エアスライド” (устройства, использующего давление воздуха для направления и перекачки цемента в нужное место) из силосов в бункеры или ёмкости погрузочного оборудования.
Погрузка осуществляется в двух формах: в мешках или насыпью. Погрузочная станция, расположенная в конце производственной линии, может иметь различные возможности погрузки в зависимости от географического положения завода, такие как погрузка в грузовики, корабли или вагоны, в мешках или насыпью.
Контроль качества
Роль лаборатории в производстве цемента
Лаборатория и отдел контроля качества осуществляют надзор за всеми этапами производства цемента, от начала производственной линии до погрузочной станции, проводя точный мониторинг и непрерывные расчёты для обеспечения производства высококачественного цемента, соответствующего необходимым стандартам.
Тесты качества
В связи с этим проводятся различные химические и физические испытания, включая определение содержания различных оксидов, измерение количества гипса, оценку времени схватывания цемента, стабильности объёма, прочности на сжатие, прочности на растяжение, прочности на изгиб, тонкости и шероховатости цемента и другие, выполняемые сотрудниками отдела контроля качества. Современные цементные заводы сегодня оснащены передовым оборудованием для контроля процессов. На некоторых заводах сырьё автоматически отбирается для проб, а компьютеры контролируют и рассчитывают состав сырьевой смеси.
Физические свойства цемента
Физические свойства цемента в основном включают тонкость, время схватывания, целостность и прочность.
Тонкость цемента
Следует отметить, что слишком тонкий цемент не всегда экономически или технически выгоден. Стоимость помола и влияние чрезмерной тонкости на другие свойства, такие как повышенная потребность в гипсе для регулирования схватывания, удобоукладываемость свежего бетона и другие факторы, также должны учитываться. Тонкость — одно из ключевых свойств цемента, обычно определяемое удельной поверхностью (м²/кг) в стандартах. В мире применяются различные распространённые методы для измерения тонкости цемента. Национальный стандарт Ирана № 390 определяет измерение тонкости цемента.
Время схватывания цемента
Термин “схватывание” используется для обозначения затвердевания цементной пасты, то есть перехода из жидкого состояния в твёрдое. Схватывание происходит из-за гидратации C3S и C2A, сопровождаемой повышением температуры цементной пасты. Начальное схватывание связано с быстрым повышением температуры, а окончательное схватывание — с конечной температурой. Продолжительность схватывания цемента уменьшается с повышением температуры, хотя испытания показали, что при температуре около 30°C можно наблюдать обратный эффект. При низких температурах схватывание цемента замедляется.
Применение цемента
Разнообразие применений цемента
Сегодня цемент имеет широкий спектр применений и используется в различных областях в зависимости от его типов. Цемент можно использовать отдельно, в чистом виде как материал для затирки, но его основное и наиболее распространённое применение — в растворе и бетоне, где он смешивается с инертными материалами, известными как заполнители.
Раствор и бетон
Раствор состоит из цемента, смешанного с песком или щебнем диаметром около 5 миллиметров. Бетон — это комбинация цемента, песка или других мелких заполнителей, но при заливке в больших объёмах, например, для строительства плотин, используются заполнители размером до 19–25 миллиметров. Бетон применяется для различных строительных целей.
Готовые изделия
Портлендский цемент используется для производства кирпичей, мозаик, блоков, потолочных балок, железнодорожных шпал и других изделий, формованных под давлением в формах. Эти изделия изготавливаются в специализированных мастерских и поставляются готовыми к установке. Например, такие инструменты, как Купить телескопические стойки по доступной цене и Основные виды строительных лесов, играют важную роль в строительных процессах с использованием бетона и цемента.
Значение бетона в современном мире
Учитывая широкое использование бетона в современном мире, производство цемента имеет особое значение. В развитых странах ежегодный прирост цемента на душу населения составляет примерно одну тонну. Используемые заполнители или цемент, особое качество бетона или метод его приготовления определяют тип бетона.
Факторы, влияющие на качество бетона
В обычном бетоне, используемом в строительстве, свойства цемента в основном определяются соотношением воды к цементу. Чем меньше воды, тем прочнее бетон. Смесь должна содержать достаточно воды, чтобы обеспечить полное покрытие каждого зерна заполнителя цементной пастой, заполнение пространства между заполнителями и достаточную удобоукладываемость для заливки и распределения. Ещё один фактор долговечности бетона — соотношение цемента к заполнителям (выраженное как 1:3 цемента к мелким и крупным заполнителям). Там, где требуется особо прочный бетон, доля заполнителей будет ниже.
Прочность бетона измеряется силой, приложенной на квадратный дюйм в фунтах или на квадратный сантиметр в килограммах, необходимой для разрушения бетона заданной твёрдости или возраста.
Влияние окружающей среды на бетон
Экологические факторы, такие как температура и влажность, влияют на прочность бетона. Если он не полностью высох, его прочность на растяжение становится неравномерной, а если он затвердел не полностью, он не может выдерживать эти нагрузки. В процессе, известном как выдерживание, бетон после заливки некоторое время поддерживается во влажном состоянии, чтобы замедлить усадку при затвердевании. Низкие температуры также отрицательно сказываются на его прочности. Для компенсации этого в цемент добавляют добавки, такие как хлорид кальция, которые ускоряют процесс затвердевания и генерируют достаточно тепла, чтобы нейтрализовать относительно низкую температуру. В очень холодную погоду заливка бетона в больших объёмах не проводится.
Железобетон
Бетон, затвердевший вокруг металла (обычно стали), называется “железобетон” или “армированный бетон”. Его изобретение обычно приписывается Жозефу Монье, парижскому садовнику, который изготавливал горшки и трубы для сада, укреплённые металлической сеткой. Он запатентовал своё изобретение в 1867 году.
Армирующая сталь, которая может быть в виде прутков, стержней или сетки, повышает прочность бетона на растяжение. Обычный бетон не может легко противостоять растягивающим нагрузкам от ветра, землетрясений, вибраций и других изгибающих сил, что делает его неподходящим для многих строительных задач.
В железобетоне прочность стали на растяжение и сжимающая прочность бетона объединяются, создавая материал, способный выдерживать все виды экстремальных нагрузок на больших площадях. Помимо потенциала для высокой прочности и возможности формирования в любую форму, бетон также устойчив к огню, что делает его одним из самых широко используемых строительных материалов в мире. Бетонные конструкции хорошо сопротивляются огню, выдерживая до 24 часов.
Компоненты бетона
Основные составляющие бетона
- Цемент: составляет около 7–15 процентов объёма бетона.
- Вода: составляет около 14–21 процента объёма бетона.
- Заполнители (песок и гравий): составляют около 60–75 процентов объёма бетона.
- Воздух: в неаэрированном бетоне объём воздуха колеблется от 0,5 до 3 процентов; в аэрированном бетоне — от 4 до 8 процентов.
Роль цемента в бетоне
Роль цемента в бетоне заключается исключительно в связывании заполнителей между собой, и он сам по себе не влияет на прочность или несущую способность. Таким образом, хороший бетон — это тот, который при тестировании в лаборатории ломается через заполнители, а не через цемент (связующее). Цемент поставляется на рынок в насыпном виде или в мешках и используется во множестве строительных и инфраструктурных проектов.
Широкий спектр применения бетона
От маленьких комнат до огромных небоскрёбов, от небольших прудов до массивных портовых сооружений, от бассейнов до прочных плотин, хранящих огромные запасы воды, от небольших мостов через ручьи до огромных туннелей под морским дном, от тротуаров до современных автомагистралей, линий метро, обширных международных аэропортов и от бункеров до огромных складов вооружений и военной техники — всё это подчёркивает ключевую роль цемента в жизни человека.
Хранение цемента
Условия хранения цемента
Всегда следует стараться держать цемент вдали от влаги, так как он легко впитывает воду, и даже влажный воздух может полностью испортить его.
Хранение цемента насыпью
При хранении цемента насыпью необходимо обеспечить условия, при которых пол склада под цементом остаётся полностью сухим. На пол можно насыпать слой сухого песка, чтобы предотвратить проникновение влаги снизу. Также желательно накрыть цемент пластиком.
Хранение цемента в мешках
Цемент в мешках хранится на деревянных платформах определённой формы и размера, называемых “паллетами”. Эти паллеты находятся на расстоянии не менее 10 сантиметров от пола, и на них укладывается максимум восемь рядов мешков с цементом. Между паллетами, на которых размещается около пятидесяти мешков, необходимо оставить минимум 0,5 метра для циркуляции воздуха. При правильных условиях цемент в мешках можно хранить до одного года.
Будущее цементной промышленности
Прогнозы учёных
Учёные предсказывают светлое будущее для цементной промышленности, описывая бетон, изготовленный из цемента, как самый значимый материал этого века. Действительно, цемент можно рассматривать как связующее вещество, более дешёвое, чем любой другой промышленный клей, и необходимое для жизни человека.
Будущие разработки
Учитывая выдающиеся свойства цемента и его безвредность для окружающей среды, разнообразие типов цемента будет продолжать расти, и в будущем спрос на индивидуализированные продукты увеличится. Наряду с этими разработками в структуре цементной промышленности произойдут дальнейшие изменения. Даже если в среднесрочной перспективе не произойдёт фундаментальных изменений в химических и физических системах цемента, тенденция к регионализации производства и распределения требует технологических усовершенствований.
Вызовы и возможности
Цементная промышленность обладает хорошими перспективами, поскольку цемент как соединитель строительных материалов имеет светлое будущее. Однако такие факторы, как конкуренция внутри отрасли и с другими строительными материалами, появляющимися на рынке, давление экологических норм и нарастающая глобализация, вынудят цементную промышленность снизить затраты, обеспечить качество и улучшить защиту окружающей среды. Ассортимент продукции заводов должен соответствовать техническим инновациям.
Если сравнить современную цементную промышленность с той, что была сто лет назад, статистика и данные показывают технологический путь, пройденный этой отраслью за век. Потребление тепла для процесса обжига сократилось с 1900 килокалорий на килограмм клинкера сто лет назад до 700 килокалорий на килограмм сегодня.
