Из чего и как делают цемент

Из чего и как делают цемент?

Цемент – широко распространенный материал, который применяют при любых видах работ, связанных с ремонтом, реставрацией, строительством. Цементная основа – вяжущие компоненты неорганического происхождения. Из цемента производятся бетонные, кладочные, штукатурные растворы, железобетонные изделия, используемые при строительстве промышленных объектов и частных построек.

Особенностью порошкообразной цементной массы, смешанной с водой, является способность постепенно твердеть, превращаясь в каменный массив. Процесс приобретения эксплуатационной прочности происходит как в воздушной среде, так и в воде. Главное условие твердения – избыточная влажность.

Все сталкивались с цементом, однако мало кто знает, из чего делают этот универсальный строительный материал, как его производят. Его основа – клинкер, специальные минеральные добавки и гипс. Рассмотрим подробно, как делают цемент, какое сырье для этого используется.

По-прежнему клинкер – это основной компонент, входящий в состав цемента

Разновидности материала

В продажу поступает множество разновидностей цемента. Они отличаются друг от друга по целому ряду характеристик:

• Прочность. Важнейший показатель, который указывается на маркировке. Она выполняется в виде буквы М и цифры. Последняя и обозначает прочность. Ее определяют в результате проведения технических испытаний.
• Фракция. Определяется помолом смеси. Чем он тоньше, тем более качественной считается продукция. Идеальным считается состав из крупных и мелких частиц, поскольку только тонкий помол требует слишком большого количества воды при замесе.
• Скорость отвердевания. Варьируется путем введения в смесь гипса. В зависимости от назначения продукта может существенно различаться.
• Морозоустойчивость. Определяется реакцией на цикл замораживание и размораживание. Материал характеризуется количеством таких циклов, которые он выдерживает без изменения своих свойств.

Потребность в воде при замесе раствора зависит от плотности материала, поэтому количество воды для замеса разных марок разнится. Избыток жидкости уменьшает прочность цемента.

В зависимости от области применения выделяется несколько типов цементных смесей.

Портландцемент

Отвердевает на воздухе и в воде. Минеральные добавки отсутствуют. Широко используется для возведения разноплановых монолитных конструкций.

Сульфатостойкий

Его особенность — повышенная устойчивость к химическим агрессивным средам. Характеризуется невысоким коэффициентом насыщения. Это позволяет применять сульфатостойкий цемент для строительства гидротехнических, подземных сооружений и т.п.

Пуццолановый

Может считаться разновидностью сульфатостойкого, но с добавлением активных минералов. Медленно отвердевает, имеет высокую водостойкость. Используется для гидротехнического строительства.

Глиноземистый

Повышено содержание окиси кальция и глинозема. Это позволяет смеси быстро отвердевать. Применяется для изготовления быстро твердеющих жаростойких и строительных растворов, которые находят применение при ремонтных работах, скоростном строительстве, зимнем бетонировании и т.д.

Кислотоупорный

В состав входит кварцевый песок и кремнефтористый натрий. Замешивается не водой, а жидким стеклом. Используется для получения кислотостойких покрытий. Не выдерживает постоянного воздействия воды.

Пластифицированный

Изготавливается со специальными добавками, придающими морозостойкость и повышенную подвижность приготовленным на этом цементе растворам. Они приобретают большую прочность, лучше сопротивляются коррозионным воздействиям и отличаются повышенной водонепроницаемостью.

Шлакоцемент

В его рецепт включается шлак, процент содержания которого может варьироваться от 20% до 80% от массы продукта. Это удешевляет материал, замедляет скорость его отвердевания и увеличивает жаростойкость. Применяется для возведения наземных, подводных и подземных объектов.

Как показывает практика, самым востребованным вариантом является портландцемент. Именно его имеют в виду, когда речь идет о цементе.

Ключевые свойства цемента

К основным характеристикам вяжущего можно отнести:

• плотность; тонина помола, то есть размер частичек и способность порошка покрыть большую или меньшую площадь в один слой;
• водопотребность, то есть сколько влаги понадобится цементу для прохождения процесса гидратации и приобретения пластичности;
• морозостойкость, то есть сколько циклов замерзания и оттаивания выдержит материал;
• время схватывания готового раствора, которое может находиться в диапазоне от 1 до 10 часов и зависит от того, насколько густой раствор приготовлен;
• прочность, то есть устойчивость застывшего образца к разрушению.

В зависимости от характеристик разделяют разные марки цемента. Все они по-своему маркируются.

Фасовка цемента как бизнес

Цемент очень чувствителен к действию влаги и длительному сдавливанию. Поэтому на заводах, занимающихся изготовлением цемента, для его хранения используются накопительные бункеры – силосы, защищённые от атмосферной влаги. Крупные потребители (строительные компании) приобретают сырьё навалом и хранят в таких же ёмкостях. Все остальные обычно используют цемент, упакованный в мешки из крафт-бумаги.

Крафт-бумага является оптимальным вариантом упаковки для цемента, поскольку обладает повышенным уровнем влагостойкости и термостойкости. Эти качества позволяют сохранять сырьё в течение долгого времени без потери его основных свойств.

Фасовка цемента осуществляется с помощью специального оборудования, принцип действия которого состоит в следующем: из накопителя стройматериал подаётся в фасовщик, где центробежное рабочее колесо измельчает его и отправляет в бумажный мешок. Когда достигается значение заданного веса (например, 10, 25 или 50 кг), заслонка перекрывает подачу, а пневмоприжим сбрасывает мешок на транспортёр.

Чтобы организовать фасовку цемента как бизнес, необходимо приобрести фасовочную машину, транспортёр и технику для выгрузки сырья, прибывающего от производителя, и загрузки готовой продукции.

Стоимость фасовочной машины зависит от производительности, мощности двигателя, принципа работы (автоматы и полуавтоматы). К примеру, автоматическое фасовочное устройство для затаривания цемента в мешки от 10 до 50 кг производительностью до 5 тонн в час будет стоить порядка 150 тысяч рублей. Транспортёр обойдётся в сумму до 80 тысяч.

Для обслуживания оборудования понадобится один человек. Ещё одного-двух рабочих нужно будет задействовать для осуществления разгрузки/погрузки.

Чтобы выяснить, насколько выгоден такой бизнес, попробуем произвести приблизительный расчёт прибыли, взяв для примера портландцемент марки 500 на основе клинкера нормированного состава. Чтобы затарить в мешки 880 тонн цемента (средний месячный объём производства при условии, что оборудование упаковывает 40 тонн за восьмичасовую рабочую смену, а в месяце 22 рабочих дня), необходимо потратить примерно 3 821 000 рублей. Структура расходов:

• закупка сырья – 3 520 000 руб. (880 тонн * 4 000 руб.)
• приобретение расходных материалов (мешков) – 176 000 руб. (17 600 мешков вместительностью 50 кг * 10 руб.)
• заработная плата – 75 000 руб. (3 работника * 25 000 руб.)
• затраты на электроэнергию, ГСМ, а также налоги и другие обязательные платежи – 50 000 руб.

Оптовая стоимость цемента М500, расфасованного в мешки весом 50 кг, составляет в среднем 220 руб. То есть за всю партию, упакованную за месяц, можно выручить 3 827 000 руб. (17 600 мешков * 220 руб.). Следовательно, размер чистой прибыли составит около 51 000 руб. Как видите, неплохой результат даже при невысоких оборотах.

Основной состав цементной смеси

Набор компонентов цемента разных марок и различного предназначения может отличаться, однако, вне зависимости от типа цементного порошка, главными составляющими для его производства являются известняк и глина. Для получения качественной цементной основы – клинкера, содержание известняка должно в три раза превышать содержание глины.

Таким образом, клинкер, гипс и специальные добавки являются основным сырьем для цементного производства. Гранулированный, до 60 мм в диаметре, клинкер подвергается термической обработке при температуре 1500°. В процессе плавления клинкера, отвечающего за прочностные характеристики цемента, формируется масса, содержащая довольно большую концентрацию кальциевого диоксида и кремнезема, отвечающих за эксплуатационные характеристики.

Цементная смесь может содержать до шести процентов гипса, влияющего на скорость затвердевания готового раствора. Специальные добавки в виде морозостойких присадок, пластификаторов и прочих веществ направлены на усиление свойств готового материала, а также придание новых характеристик, расширяющих возможности использования цемента.

В зависимости от исходных материалов существует несколько видов цемента:

• портландцемент;
• сульфатостойкий;
• глинозёмный;
• пуццолановый;
• пластифицированный;
• кислотоупорный;
• шлакопортландцемент;

Технология производства.

В зависимости от вида цемента различается и технология их производства. Мы рассмотрим технологию производства на примере самого распространенного вида — портландцемента. Производство цемента начинается с производства промежуточного продукта — клинкера.
Клинкер — это продукт, получающийся путем смешивания известняка (3/4 части) и глины (1/4 часть) и дальнейшего обжига в печи при температуре +1450С, в течении 3-4 часов.
В качестве известняка могут применяться:

• Известняк, не содержащий включений кремния. Плотная порода с мелкокристаллической структурой.
• Мергель – переходная от известняковых к глинистым порода. Включает в свой состав мелкие частицы солей кальция с примесью полевого шпата, доломита и пр.
• Мел – податливая, легко измельчаемая осадочная порода.
• Ракушечный известняк.

В качестве глины могут применяться:

• Глинистые сланцы. Благодаря своей слоистой структуре легко раскалываются, что значительно облегчает обработку.
• Лесс. Рыхлая мелкозернистая порода, содержащая большое количество карбоната кальция.
• Глина. Представляет собой смесь основного глинистого вещества – гидроалюмосиликата с соединениями железа, магния и других элементов.
• Суглинки. Отличаются от глины увеличенным содержанием песка.

Перед обжигом все компоненты измельчаются с помощью дробилок, смешиваются, перемалываются в мельницах и поступают в печь. Поскольку во время обжига печь вращается, клинкер образуются в виде гранул, размером до 5 см в диаметре. После печи, уже получившиеся гранулы клинкера остужают, добавляют необходимые добавки и на мельницах повторно измельчают. Качество будущего цемента зависит от степени измельчения — чем мельче помол, тем качество цемента лучше.

Минералогический состав портландцемента:

• оксид кальция (CaO) −минимум 62%;
• диоксид кремния (SiO2) −минимум 20%;
• глинозём (Аl2O3) − минимум 4%;
• оксид железа (Fe2O3) −минимум 2%;
• магния оксид (MgO) −минимум 1%.

Портландцемент является базовым цементом, на основе которого изготавливают цементы с заданными характеристиками. Например, портландцемент не способен функционировать в водной среде из-за наличия микропор, куда попадает влага и агрессивные сульфаты и соли приводят к разрушению цементного камня. Поэтому, для конструкций, которые будут работать в условиях постоянного контакта с водой изготавливают специальный сульфатостойкий цемент. Достигается это путем внесения специальных минеральных добавок: гранулированный доменный шлак, пуццолан, комбинацию пуццолана или микрокремнезема со шлаком. Поскольку производство такого цемента очень затратно, такой цемент применяется только на ответственных конструкциях. В основном же строительстве применяют простой портландцемент.

Марка цемента.

Основным показателем, характеризующим его свойства, является марка цемента. Марка цемента состоит из буквенного индекса «М» (обозначающим слово «Марка») и цифрового индекса, который обозначает величину давления, которую способен воспринять эталонный образец, выдержанный 28 суток. Например, портландцемент, маркируемый М400, воспринимает давление, не ниже 400 кг/см².
Основных марок цемента несколько:
М700 – самая высокая марка. Применяется при производстве предварительно-напряженных конструкций. Цена такого цемента очень высока, поэтому применяется только в особых случаях;
М600 – цемент увеличенной прочности. Область применения – производство ответственных железобетонных изделий и конструкций;
М500 – цемент, обладающий достаточно хорошими прочностными показателями, что позволяет использовать его при реконструкции зданий и сооружений, возведении военно-технических объектов, укладке дорожного покрытия и пр. менее ответственных конструкций;
М400 – самая доступная и широко используемая марка цемента. Обусловлено это тем, что цемент обладает достаточными показателями прочности и позволяют применять его при возведении объектов любого неответственного назначения.
М300 и М200 — самые низкие марки, но по цене отличаются не значительно от марки М400, поэтому выпускается в довольно ограниченном количестве, так как экономия от их применения минимальна.

Расшифровка марок цемента по ГОСТ 31108-2003 (действующий)

На текущий момент актуальным нормативным документом, определяющим правила обозначения цементного вяжущего, является:
ГОСТ 31108-2016 Цементы общестроительные. Технические условия.

В соответствии с ним, тип материала указывается комбинацией русских букв, римских и арабских чисел.

В начале маркировки указывают полное название продукта, а затем – буквы ЦЕМ, римские цифры и буквы, обозначающие подтипы.

Таблица расшифровки марок цемента и области их применения

Краткие характеристики цемента разных марок:
ЦЕМ I – портландцемент. Отличается высокой скоростью набора прочности на начальных стадиях. Количество минеральных добавок в таком вяжущем не превышает 5%.
ЦЕМ II – портландцемент с минеральными добавками, количество которых превышает 5% (до 35%). Скорость твердения такой смеси снижается с повышением процентного соотношения присадок.
ЦЕМ III – шлакопортландцемент с нормальной скоростью твердения. В состав входит гранулированный шлак, образующийся при производстве чугуна, в количестве 36-65%.
ЦЕМ IV – пуццолановый с нормальной скоростью набора марочной прочности. В его составе имеются кремнезем (обозначается буквами «МК» или «М»), зола-унос («З»), пуццоланы («П»). Процентное соотношение добавок – 21-35%.
ЦЕМ V – композитное вяжущее с нормальной скоростью набора прочностных характеристик. В его состав входят 11-30% золы-уноса, 11-30% гранулированного шлака, который является отходом производства чугуна.

После указания подтипа (А или В) указывается тип присадки:
«Ш» – шлак, который является отходом металлургической индустрии;
«И» – известняк;
«З» – зола-унос, которая является отходом энергетических предприятий;
«П» – пуццоланы;
«М», «МК» – микрокремнезем.

Далее указывается прочность вяжущего, которая в ГОСТ 31108-2003 обозначается классом, а ранее она характеризовалась маркой.

Какие бывают классы прочности цемента и каким маркам они соответствуют, а также их области применения, указаны в таблице.

После класса прочности в маркировке вяжущего указывают скорость его твердения:
«Н» – нормально твердеющий;
«Б» – быстро твердеющий.

В конце обозначения указывают нормативный документ, которому соответствуют характеристики материала.

Пример обозначения цемента на упаковке:
«Композиционный портландцемент ЦЕМ II/A-К(Ш-3-И) 32,5Б ГОСТ 31108-2016»
расшифровка:
«Композиционный портландцемент типа ЦЕМ II, подтипа A с суммарным содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золы-уноса (З) и известняка (И) от 12% до 20%, класса прочности 32.5, быстротвердеющий»

Известняк

-161 Известняк коралловый

-167 Известняк ракушечный

-167 Известняк хемогенный

358 К2 Известняк серый. Урал

• Осадочные породы
  • Биохимические породы
    • Группа карбонатных пород

Структура крайне разнообразна, служит основой для выделения большого количества разностей известняка. Текстура однородная, слоистая, иногда пористая, кавернозная и др. Порода состоит из кальцита, редко – арагонита. Обычные примеси: доломит, кремнистое вещество, песчанистый и глинистый материал, битумы. Повышение их содержания в известняке ведет к образованию породы смешанного состава: соответственно доломитового, кремнистого, песчанистого известняка, мергеля, битуминозного известняка и т.д. Многие известняки содержат остатки раковин или иных скелетов морских организмов. Порода каменистая, прочная, иногда бывает землистая, слабо связанная (мел). Твердость средняя. Излом неровный. В воде не размокает. Цвет обычно белый, светло-серый, реже темно-серый и черный – вследствие примеси углистого вещества, желто-бурый – в связи с примесью гидроокислов железа, зеленоватый – из-за примеси глауконита. Бурно растворяется в HCl (вскипает).

Главнейшие разновидности известняка:

1) Органогенный известняк состоит в основном из целых раковин или их обломков (детрита), сцементированных карбонатным веществом. Представителями органогенных известняков, в частности, являются: известняк-ракушечник – легкий, пористый, белый, желтый или серый, почти целиком сложенный крупными (0,5–2 см) раковинами моллюсков или обломками таких раковин; рифовый известняк – чрезвычайно богатый и разнообразный в отношении остатков фауны: кораллов, мшанок, морских лилий, моллюсков и др.; нуммулитовый и фузулиновый известняк состоящий из раковин древних простейших: нуммулитов и фузулин.

2) Мел – микрозернистая (размер зерен менее 0,01 мм), тонкопористая порода. Состоит из мельчайших, видимых лишь под микроскопом зерен кальцита и обломков скелетов моллюсков и водорослей, иногда с примесью глинистых минералов (мергелистый мел) или обломочных зерен кварца (песчанистый мел), которые обнаруживаются лишь после полного растворения кусочка мела в НСl.

3) Оолитовый известняк – агрегат сферических или эллипсоидальных оолитов кальцита размером от долей миллиметра до 2–2,5 мм, сцементированных скрытокристаллическим карбонатным веществом (оолитовая структура). Оолиты имеют концентрически-зональное, реже радиально-лучистое строение, причем в центре каждого из них находится мельчайший обломок раковины, песчинка или зерно кальцита.

4) Известковый туф (синоним – травертин) – микрозернистая, пористая, ноздреватая неслоистая порода, нередко содержащая отпечатки листьев и стеблей наземных растений.

Формы залегания – слои и мощные слоистые толщи; куполовидные массивы, линзовидные тела и различные по величине и форме гнезда (рифовые известняки). Органогенные известняки образовались вследствие отмирания морских организмов и накопления их скелетов в осадках на дне водоема. Благоприятными условиями для развития таких организмов были мелководные, теплые моря со спокойным течением при отсутствии сноса обломочного материала с суши. Мел имеет органогенно-химическое происхождение. Это продукт совместного накопления на дне водоема илоподобного химического карбонатного осадка и остатков известковых скелетов микроорганизмов. Оолитовый известняк и известковый туф – продукты химического осаждения карбоната кальция, первый – в морских водоемах, второй – из углекислых вод минеральных источников.

Наиболее распространенные изменения известняков – окремнение (замещение кальцита халцедоном), доломитизация (замещение доломитом). На поверхности под воздействием текучих вод, являющихся нередко слабокислыми растворами и проникающих в карбонатную толщу по трещинам, известняки часто растворяются. При этом образуются воронки, колодцы, провалы, пещеры, подземные каналы и другие проявления карста. Известняки распространены практически повсеместно. Органогенные известняки широко известны в Крыму, на Черноморском побережье Кавказа и в Приуралье (рифовые); мел – в Воронежской, Курской, Белгородской областях России и примыкающих областях Украины, в Среднем и Нижнем Поволжье; известковые туфы – в районе Пятигорска, в Армении и др.

Средняя твердость (у большинства разновидностей), неразмокаемость в воде, бурное вскипание под воздействием НСl (без нагревания) в любом участке породы. Мел может иметь низкую твердость, легко крошится и пачкает пальцы, слегка прилипает к языку.

Определяется высокой прочностью (временное сопротивление сжатию до 900 кг/см 2 и более), средней твердостью и связанной с этим возможностью распила известняка на правильные блоки и плиты, обилием чистых разновидностей, лишенных примесей фосфора, серы, кремнезема и др. Области применения известняков следующие: строительный и бутовый камень; флюс в черной и цветной металлургии; сырье для производства извести, цемента и др.; добавка в стекольном производстве; наполнитель для некоторых сортов бумаги; литографский камень в полиграфической промышленности; абразивный материал для тонкой шлифовки и полировки металлоизделий; технологическое сырье в пищевой промышленности; минеральная добавка в корм скота и птицы. Молотый известняк используется для известкования почв.

Известняк в архитектуре и дизайне

Известняк является очень популярным материалом для строительства и облицовки зданий. Подходит для облицовки фасада, а также для создания декоративных элементов экстерьера – барельефов, колонн и пилястр, кронштейнов. Область дизайнерских решений для интерьера довольно широка: изготовление колонн, арок, каминных порталов, отделка известняком полов и стен, дверных и оконных проемов. Некоторые виды известняка подходят для помещений с повышенной влажностью (ванные комнаты, бассейны).

В ландшафтном дизайне известняк используется при оформлении дорожек, террас, декоративных стенок, оград и сооружения альпийских горок (сохраняет тепло, пропускает воду и воздух, нормализует почвенный состав).

В нашей стране популярны отечественные известняки, Испанские известняки и Немецкие мраморизованные известняки. Благодаря относительно низкой цене (по сравнению с другими натуральными камнями) и устойчивости к перепадам температур (количество циклов зима/лето) известняк является самым популярным материалом для отделки фасадов жилых комплексов и коммерческих зданий и сооружений.

Самые популярные известняки: