Каждый строительный материал требует обязательной сертификации. Существует огромный перечень ГОСТов и СНиПов, согласно которым производятся цементные смеси. Стандарты определяют не только качество сырья, но и область применения, правила транспортировки, испытания и многое другое.
Характеристики и свойства цемента
Цемент – это вяжущее вещество, которое состоит из неорганических соединений. При взаимодействии с водой порошок вступает в химические реакции, в результате чего образуется твердый элемент с заданной формой. После набора прочности элемент, состоящий из цемента, заполнителя, воды и дополнительных добавок, служит долгое время, сохраняя свои первоначальные свойства. Плотность цемента в сыпучем состоянии составляет 900-1300 кг/м3, а в уплотненном – 1400-2000 кг/м3. Для объемной дозировки вяжущего при приготовлении растворов и строительных смесей его плотность принимается равной 1300 кг/м3.
Важным компонентом цемента является клинкер, который получают путем обжига сырьевой смеси. В зависимости от требуемых свойств конечного продукта, он может содержать известняк, глину, доменный шлак, нефелиновый шлам и т.д. После обжига в клинкер добавляют дополнительные ингредиенты, если это необходимо. Смесь измельчается до состояния тонкого порошка.
Согласно ГОСТ 31108-2016, цементы делятся на 5 типов в зависимости от их состава:
- ЦЕМ I – Портландцемент, самый распространенный вид этого строительного материала, количество вспомогательных ингредиентов не превышает 5%;
- ЦЕМ II – Портландцемент с минеральными добавками, такими как шлак, микрокремнезем, пуццоланы и обожженный шифер;
- ЦЕМ III – Портландцемент со шлаком;
- ЦЕМ IV – пуццолановый;
- CEM V – композитный.
Минеральные добавки до 15% оказывают незначительное влияние на свойства конечного продукта.
Добавки в количестве более 20% оказывают значительное влияние на физико-химические и механические свойства цемента и получаемых из него смесей и растворов.
Прочность цемента
Одним из основных свойств вяжущего является его прочность, которая характеризуется классом по новому ГОСТ 31108-2016 и классом по старому стандарту. Этот показатель определяется по пределу прочности при сжатии стандартных образцов. В классе указывается давление, выраженное в МПа, в марке – в кгс/см3.
По новому стандарту выпускаются цементы следующих классов (марок):
- В22,5 (М300);
- В32,5 (М400);
- B42.5 (M500);
- B52.5 (M600).
В случае цементов разных марок испытания проводятся через 2, 7, 28 дней после изготовления образца. На этот показатель влияет минералогический состав, наличие активных добавок, их свойства и процентное содержание.
Производители обязаны указывать в паспорте максимальную прочность вяжущего, определенную после 28 дней твердения.
Сырье для производства цемента
Сырьем для производства цемента служат горные породы, добываемые в открытых карьерах:
- Карбонат – мел, известняк, известняк-ракушечник, доломит, мергель и туф. Известняк в основном используется в промышленном производстве. Точное количество зависит от его свойств и минерального состава. Чем больше в породе веществ с кристаллической структурой, тем выше температура плавления.
- Глина – Глина, глинистый сланец, лёсс, ил, монтмориллонит. Этот компонент осадочного происхождения разбухает при контакте с водой. Назначение глинистых добавок – повышение пластичности смесей и растворов на основе цементных вяжущих.
- Добавки. Перечень добавок определяется в зависимости от свойств, которые необходимо получить. В состав добавок обычно входят глинозем, железо, кремний. Цемент изготавливают из различных видов промышленных отходов, таких как доменная пыль и другие.
Единой формулы химического состава цемента не существует, поскольку производители предлагают множество разновидностей этого строительного материала с различными эксплуатационными характеристиками.
Наиболее часто в строительстве используется портландцемент – без минеральных добавок и с минеральными добавками.
Существуют некоторые ограничения по минимально допустимым химическим соединениям, входящим в состав портландцемента:
Химический состав в процентах некоторых видов цемента
| Химический состав, % | Характеристики | ||||
| CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | Другие оксиды | |
| Портландцемент | |||||
| 63…66 | 21…24 | 4…8 | 2…4 | 3…5 | Нормальное твердение |
| Алюминиевый цемент | |||||
| 35…43 | 5…10 | 39…47 | 2…15 | 1,5…2,5 | Быстрое твердение |
Основным ингредиентом при производстве цемента является клинкер. Это промежуточный продукт, получаемый путем обжига смеси из 75% известняка (мела, мергеля или другой породы) и 25% глины. Сырье расплавляется для получения гранул. Клинкер измельчается и соединяется с молотыми добавками.
Весь процесс производства цементного вяжущего можно условно разделить на 3 этапа:
- производство клинкера путем обжига – основной процесс, самый дорогой и трудоемкий;
- измельчение клинкера в мелкий порошок;
- смешивание клинкерного порошка с порошкообразными добавками.
Производство клинкера делится на следующие этапы:
- доставка сырья для производства клинкера на цементный завод;
- измельчение сырьевых ингредиентов
- смешивание ингредиентов в пропорциях, указанных в технической документации, для последующего обжига.
Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента
Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от состава смеси и процентного содержания цементирующих компонентов. Некоторые из них начинают реагировать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через некоторое время.
Портландцемент состоит из:
- C2S – дикальций силикат. Этот ингредиент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после того, как продукт достигнет своей естественной прочности. Это оказывает положительное долгосрочное влияние на прочностные свойства бетона. Использование пластификаторов ускоряет реакцию дикальцийсиликата с цементом.
- C3S – это трикальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и на протяжении всего периода гидратации. Однако наибольший вклад он вносит в период, когда достигается прочность материала.
- C3A – трикальциевый алюминат. Способствует повышению прочности материала в течение первых дней твердения. В более поздний период перестает оказывать влияние.
- C4AF – четвертичный алюминат кальция. Становится эффективным уже во время твердения. Улучшает свойства бетона в более поздние периоды твердения.
Как ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента?
В строительных работах часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента. Использование специальных добавок помогает решить эту проблему. Они необходимы при бетонировании в зимнее время или для увеличения скорости строительства.
Наиболее распространенными добавками для упрочнения цемента являются
- 4% нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит кальция или хлорид кальция, сульфат-нитрит натрия;
- 2% сульфат натрия;
- 2% хлорид кальция – используется для армированных конструкций;
- 3% хлорид кальция – для неармированных бетонных элементов.
Ингибиторы цемента в основном используются для крупномасштабных конструкций, таких как большие фундаменты, бассейны, гидротехнические сооружения и подземные сооружения.
Пластификаторы и гиперпластификаторы действуют как замедлители. Использование таких добавок позволяет бетонным растворам сохранять свою подвижность и эксплуатационные свойства в течение 24-48 часов после смешивания вяжущего с водой.
Гидратация цемента – важный процесс, который должен осуществляться в соответствии с правилами, установленными государственными нормами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широкого спектра добавок, можно в широком диапазоне регулировать начало и скорость схватывания пластика, его подвижность, прочность на разных стадиях твердения, коррозионную стойкость и другие характеристики.
Автор: Андрей Васильев
- Конструктор с 20-летним стажем
- Эксперт завода "Молодой Ударник"
Окончил Санкт-Петербургский государственный педагогический университет в 1998 году, учился на факультете гражданского строительства и прикладной экологии.
Схема производства без клинкера
В данном случае сырьевой базой является гидравлический или доменный шлак. Производимый порошок также содержит различные модификаторы и активирующие элементы. Шлакощелочная консистенция дробится и измельчается в порошок, который затем используется для строительства.
Основными преимуществами такого подхода являются
- экологичность производственного комплекса (этому способствует переработка отходов металлургического шлака);
- повышенная устойчивость порошка к негативным факторам окружающей среды
- возможность производства порошка других цветов, кроме серого
- минимальные затраты на электроэнергию и тепло по сравнению с другими методами.
Каждая марка порошка, произведенная по описанным схемам производства, отличается уникальными параметрами и эксплуатационными характеристиками.
Различия в типах и пригодности для выполнения работ
| Тип порошка | Детали рецептуры | Область применения |
| ПК | Традиционная рецептура. | Отделка, штукатурка, создание бетонных конструкций, декорирование. |
| ШПЦ (шлакопортландцемент). | Шлаковый компонент (до 25%). | Для чисто строительных целей с производством массивных бетонных объектов. |
| ППЦ (пуццолан) | Минерализованный ингредиент, активирующего типа. | Широко используется в труднодоступных местах: крайний север, подводная часть гидротехнических сооружений. |
| Пластифицированный | Дополнительные элементы, обуславливающие мягкость и пластичность смешанной консистенции. | Этот материал используется на производственных предприятиях для изготовления деталей сложной формы. |
| Кислотостойкий | Для этого материала требуются специальные растворители, в частности кварцевое стекло. Отличается содержанием кварцевого песка и силиката натрия. | Подходит для контакта с кислотами. |
| Оксид алюминия | Гипсовое и шлаковое сырье. | Начальная скорость отверждения очень высока. Влагостойкость позволяет использовать этот порошок для водонепроницаемых конструкций. |
| Сульфатостойкий | Комбинация алюмината (5%) и силиката (50%) на основе клинкера. Эти пропорции нельзя нарушать, так как количество кальция (его устойчивость к выщелачиванию) зависит от количества содержащихся компонентов. | Создание подводных и подземных сооружений, инертных к химически агрессивным воздействиям. Высочайший показатель морозо- и влагостойкости. |
Работа завода
Производство порошка с избыточной влажностью характерно для отечественных предприятий, тогда как за рубежом (Китай, Турция, Египет) предпочтение отдается сушке. Белый порошок производит компания Holcim (Словакия, Российская Федерация), также этот декоративный строительный материал поставляется из Дании, Турции.
Обычно схемы производства, выбранные компаниями, имеют общие моменты. Например, это выглядит следующим образом:
- Смешивание всех ингредиентов до исходной консистенции клинкера.
- Отжиг во вращающихся печах.
- Измельчение в порошок.
Вся производственная схема основана на высокотехнологичном оборудовании. Среди оборудования, из которого собираются крупнейшие комплексы, а также вспомогательное оборудование:
- горнодобывающая техника, обеспечивающая сырьевую базу;
- транспортные средства;
- печные агрегаты;
- мельницы;
- фасовочные машины для упаковки порошка.
Строительные материалы, произведенные таким образом, занимают львиную долю рынка, но сделать порошок можно и самостоятельно, не обращаясь в специализированный магазин.
Переоборудование дома под производство
Производство на месте может быть организовано на большой строительной площадке. Оборудование должно включать определенное количество компонентов:
- Печь, которая позволит поднять температуру до 1 500 градусов Цельсия;
- Дробилка, способная производить достаточно мелкий помол;
- различные емкости, способные выдержать плавление порошкообразного компонента сырья.
Одна из альтернативных схем производства основана на использовании смолы и серы. В результате получается консистенция, пригодная для укладки высококачественной плитки или каменной кладки, а также для заливки стяжки пола.
- Сера (1 кг) расплавляется в металлической емкости, а смола (1 кг) – в огнеупорной емкости.
- В жидком виде эти ингредиенты смешиваются до получения однородной массы.
- Добавляется чистая песчаная россыпь и окисленный свинец (глет) – 2 и 3 кг соответственно.
- При тепловой обработке консистенция восстанавливается до однородного состояния.
- Затем цемент обжигают и отставляют в сторону.
Как делают цемент: подробные ингредиенты
Основу любого вяжущего вещества составляет цементный клинкер и лишь 15-20% минеральных добавок. От этого зависит прочность цемента и другие его свойства. Он представляет собой продукт обжига сырья (в основном известняка и глины) в виде гранул размером от 1 до 6 см.
Весь процесс обжига происходит в специальных печах при высоких температурах около +1500°C. Образуется вязкое вещество, которое надежно связывает все гранулы клинкера вместе. В дальнейшем эти гранулы подвергаются дальнейшей обработке и дроблению. Существует несколько типов производства вяжущих веществ, но производство клинкера почти всегда остается неизменным.
Гипс также является необходимым ингредиентом любого вида цемента. Его содержание не превышает 6%. Это ингредиент, который контролирует время схватывания цементного теста.
Добавки – важный компонент любого вяжущего вещества. Они гарантируют определенные свойства вяжущего и повышают его эксплуатационные характеристики, такие как морозостойкость, прочность и т.д. В зависимости от используемых добавок цементы различаются по своему химическому составу и, соответственно, по применению.
Химический состав цемента
"Химия" цемента – это сложная область работы с вяжущим веществом. Строителям нет необходимости знать подробные химические формулы всех компонентов. Скорее, это необходимо для инженеров и техников, которые испытывают новые комбинации цементных смесей. Цемент обычно состоит из следующих ингредиентов.
- 67% – оксид кальция (CaO);
- 22% – диоксид кремния (SiO2);
- 5% – оксид алюминия (Al2O3);
- 3% – оксид железа (Fe2O3);
- 3% – другие ингредиенты.
Как производится цемент в процессе производства
В настоящее время существует несколько методов производства:
- Мокрый метод – Это был первый процесс производства цемента. Он используется и сегодня, хотя и с несколько усовершенствованной методикой.
- Сухой метод – более современный метод производства вяжущего, который является более экономичным с точки зрения сырья и энергоресурсов. Но, самое главное, эта технология позволяет снизить выбросы в атмосферу.
- Комбинированные методы в России применяются редко, в основном компаниями, работающими с зарубежными партнерами. Примером может служить Вольский цементный завод.
Однако я хотел бы дать более подробное описание мокрого метода, так как практически все цементные заводы в России и странах СНГ используют именно его. На фотографии ниже показаны производственные мощности "Уралцемента" в Челябинской области, которые начали работу в 1957 году. Вяжущее здесь производится мокрым способом на основе известняка и глины. Производство на открытом карьере начинается с добычи основного сырья.
Добытое сырье подвергается дальнейшей обработке и поступает в печь мокрого дробления, где превращается в шлам. Затем шлам направляется в сырьевые мельницы и шламонакопители.
Полученный тонкодисперсный шлам отправляется во вращающуюся печь, где обжигается при температуре +1450°C. Результатом этого процесса является клинкер.
