Цемент

Чтобы узнать о других значениях, см. Цемент (значения) .

Cement powder, supplied here in a bag, ready to be mixed with aggregates and water. Dispersing dry cement dust in the air should be avoided to prevent health issues.

Cement block construction examples from the Multiplex Manufacturing Company of Toledo, Ohio, in 1905

Цемент схватывается — это связующее вещество , химическое вещество, используемое в строительстве, которое , затвердевает и прилипает к другим материалам , связывая их вместе. Цемент редко используется сам по себе, а скорее для соединения песка и гравия ( заполнителя ). Цемент, смешанный с мелким заполнителем, дает раствор для кладки, а с песком и гравием - бетон . Бетон является наиболее широко используемым материалом из существующих и уступает только воде как наиболее потребляемому ресурсу планеты.

Цементы, используемые в строительстве, обычно неорганические , часто на основе извести или силиката кальция , которые можно охарактеризовать как гидравлические или, реже, негидравлические , в зависимости от способности цемента схватываться в присутствии воды (см. гидравлические и негидравлические цементы). -гидравлическая известковая штукатурка ).

Гидравлические цементы (например, портландцемент ) схватываются и становятся клейкими в результате химической реакции между сухими ингредиентами и водой. В результате химической реакции образуются минеральные гидраты , которые плохо растворяются в воде. Это позволяет затвердевать во влажных условиях или под водой и дополнительно защищает затвердевший материал от химического воздействия. Химический процесс получения гидравлического цемента был открыт древними римлянами, которые использовали вулканический пепел ( пуццолана ) с добавлением извести (оксида кальция).

Non-hydraulic cement (less common) does not set in wet conditions or under water. Rather, it sets as it dries and reacts with carbon dioxide in the air. It is resistant to attack by chemicals after setting.

The word "cement" can be traced back to the Ancient Roman term opus caementicium, used to describe masonry resembling modern concrete that was made from crushed rock with burnt lime as binder. The volcanic ash and pulverized brick supplements that were added to the burnt lime, to obtain a hydraulic binder, were later referred to as cementum, cimentum, cäment, and cement. In modern times, organic polymers are sometimes used as cements in concrete.

World production of cement is about 4.4 billion tonnes per year (2021, estimation), of which about half is made in China, followed by India and Vietnam.

The cement production process is responsible for nearly 8% (2018) of global CO₂ emissions, which includes heating raw materials in a cement kiln by fuel combustion and resulting release of CO₂ stored in the calcium carbonate (calcination process). Its hydrated products, such as concrete, gradually reabsorb substantial amounts of atmospheric CO₂ (carbonation process) compensating near 30% of initial CO₂ emissions, as estimations suggest.

Chemistry

Cement materials can be classified into two distinct categories: hydraulic cements and non-hydraulic cements according to their respective setting and hardening mechanisms. Hydraulic cement setting and hardening involves hydration reactions and therefore requires water, while non-hydraulic cements only react with a gas and can directly set under air.

Hydraulic cement

Clinker nodules produced by sintering at 1450 °C

By far the most common type of cement is hydraulic cement, which hardens by hydration of the clinker minerals when water is added. Hydraulic cements (such as Portland cement) are made of a mixture of silicates and oxides, the four main mineral phases of the clinker, abbreviated in the cement chemist notation, being:

C₃S: alite (3CaO·SiO₂);

C₂S: belite (2CaO·SiO₂);

C₃A: tricalcium aluminate (3CaO·Al₂O₃) (historically, and still occasionally, called celite);

C₄AF: brownmillerite (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃).

The silicates are responsible for the cement's mechanical properties — the tricalcium aluminate and brownmillerite are essential for the formation of the liquid phase during the sintering (firing) process of clinker at high temperature in the kiln. The chemistry of these reactions is not completely clear and is still the object of research.

First, the limestone (calcium carbonate) is burned to remove its carbon, producing lime (calcium oxide) in what is known as a calcination reaction. This single chemical reaction is a major emitter of global carbon dioxide emissions.

${\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}$

The lime reacts with silicon dioxide to produce dicalcium silicate and tricalcium silicate.

${\ce {2CaO + SiO2 -> 2CaO.SiO2}}$

${\ce {3CaO + SiO2 -> 3CaO.SiO2}}$

The lime also reacts with aluminium oxide to form tricalcium aluminate.

${\ce {3CaO + Al2O3 -> 3CaO.Al2O3}}$

In the last step, calcium oxide, aluminium oxide, and ferric oxide react together to form brownmillerite.

${\ce {4CaO + Al2O3 + Fe2O3 -> 4CaO.Al2O3.Fe2O3}}$

Non-hydraulic cement

Calcium oxide obtained by thermal decomposition of calcium carbonate at high temperature (above 825 °C).

A less common form of cement is non-hydraulic cement, such as slaked lime (calcium oxide mixed with water), which hardens by carbonation in contact with carbon dioxide, which is present in the air (~ 412 vol. ppm ≃ 0.04 vol. %). First calcium oxide (lime) is produced from calcium carbonate (limestone or chalk) by calcination at temperatures above 825 °C (1,517 °F) for about 10 hours at atmospheric pressure:

${\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}$

The calcium oxide is then spent (slaked) by mixing it with water to make slaked lime (calcium hydroxide):

${\ce {CaO + H2O -> Ca(OH)2}}$

Once the excess water is completely evaporated (this process is technically called setting), the carbonation starts:

${\ce {Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}}$

This reaction is slow, because the partial pressure of carbon dioxide in the air is low (~ 0.4 millibar). The carbonation reaction requires that the dry cement be exposed to air, so the slaked lime is a non-hydraulic cement and cannot be used under water. This process is called the lime cycle.

History

Perhaps the earliest known occurrence of cement is from twelve million years ago. A deposit of cement was formed after an occurrence of oil shale located adjacent to a bed of limestone burned by natural causes. These ancient deposits were investigated in the 1960s and 1970s.

Alternatives to cement used in antiquity

Cement, chemically speaking, is a product that includes lime as the primary binding ingredient, but is far from the first material used for cementation. The Babylonians and Assyrians used bitumen (asphalt or pitch) to bind together burnt brick or alabaster slabs. In Ancient Egypt, stone blocks were cemented together with a mortar made of sand and roughly burnt gypsum (CaSO₄ · 2H₂O), which is plaster of Paris, which often contained calcium carbonate (CaCO₃),

Ancient Greece and Rome

Lime (calcium oxide) was used on Crete and by the Ancient Greeks. There is evidence that the Minoans of Crete used crushed potsherds as an artificial pozzolan for hydraulic cement. Nobody knows who first discovered that a combination of hydrated non-hydraulic lime and a pozzolan produces a hydraulic mixture (see also: Pozzolanic reaction), but such concrete was used by the Greeks, specifically the Ancient Macedonians, and three centuries later on a large scale by Roman engineers.

There is... a kind of powder which from natural causes produces astonishing results. It is found in the neighborhood of Baiae and in the country belonging to the towns round about Mount Vesuvius. This substance when mixed with lime and rubble not only lends strength to buildings of other kinds but even when piers of it are constructed in the sea, they set hard underwater.

— Marcus Vitruvius Pollio, Liber II, De Architectura, Chapter VI "Pozzolana" Sec. 1

The Greeks used volcanic tuff from the island of Thera as their pozzolan and the Romans used crushed volcanic ash (activated aluminium silicates) with lime. This mixture could set under water, increasing its resistance to corrosion like rust. The material was called pozzolana from the town of Pozzuoli, west of Naples where volcanic ash was extracted. In the absence of pozzolanic ash, the Romans used powdered brick or pottery as a substitute and they may have used crushed tiles for this purpose before discovering natural sources near Rome. The huge dome of the Pantheon in Rome and the massive Baths of Caracalla are examples of ancient structures made from these concretes, many of which still stand. The vast system of Roman aqueducts also made extensive use of hydraulic cement. Roman concrete was rarely used on the outside of buildings. The normal technique was to use brick facing material as the formwork for an infill of mortar mixed with an aggregate of broken pieces of stone, brick, potsherds, recycled chunks of concrete, or other building rubble.

Mesoamerica

Lightweight concrete was designed and used for the construction of structural elements by the pre-Columbian builders who lived in a very advanced civilisation in El Tajin near Mexico City, in Mexico. A detailed study of the composition of the aggregate and binder show that the aggregate was pumice and the binder was a pozzolanic cement made with volcanic ash and lime.

Middle Ages

Any preservation of this knowledge in literature from the Middle Ages is unknown, but medieval masons and some military engineers actively used hydraulic cement in structures such as canals, fortresses, harbors, and shipbuilding facilities. A mixture of lime mortar and aggregate with brick or stone facing material was used in the Eastern Roman Empire as well as in the West into the Gothic period. The German Rhineland continued to use hydraulic mortar throughout the Middle Ages, having local pozzolana deposits called trass.

16th century

Tabby is a building material made from oyster shell lime, sand, and whole oyster shells to form a concrete. The Spanish introduced it to the Americas in the sixteenth century.

18th century

The technical knowledge for making hydraulic cement was formalized by French and British engineers in the 18th century.

John Smeaton made an important contribution to the development of cements while planning the construction of the third Eddystone Lighthouse (1755–59) in the English Channel now known as Smeaton's Tower. He needed a hydraulic mortar that would set and develop some strength in the twelve-hour period between successive high tides. He performed experiments with combinations of different limestones and additives including trass and pozzolanas and did exhaustive market research on the available hydraulic limes, visiting their production sites, and noted that the "hydraulicity" of the lime was directly related to the clay content of the limestone used to make it. Smeaton was a civil engineer by profession, and took the idea no further.

In the South Atlantic seaboard of the United States, tabby relying on the oyster-shell middens of earlier Native American populations was used in house construction from the 1730s to the 1860s.

In Britain particularly, good quality building stone became ever more expensive during a period of rapid growth, and it became a common practice to construct prestige buildings from the new industrial bricks, and to finish them with a stucco to imitate stone. Hydraulic limes were favored for this, but the need for a fast set time encouraged the development of new cements. Most famous was Parker's "Roman cement". This was developed by James Parker in the 1780s, and finally patented in 1796. It was, in fact, nothing like material used by the Romans, but was a "natural cement" made by burning septaria – nodules that are found in certain clay deposits, and that contain both clay minerals and calcium carbonate. The burnt nodules were ground to a fine powder. This product, made into a mortar with sand, set in 5–15 minutes. The success of "Roman cement" led other manufacturers to develop rival products by burning artificial hydraulic lime cements of clay and chalk. Roman cement quickly became popular but was largely replaced by Portland cement in the 1850s.

19th century

Apparently unaware of Smeaton's work, the same principle was identified by Frenchman Louis Vicat in the first decade of the nineteenth century. Vicat went on to devise a method of combining chalk and clay into an intimate mixture, and, burning this, produced an "artificial cement" in 1817 considered the "principal forerunner" of Portland cement and "...Edgar Dobbs of Southwark patented a cement of this kind in 1811."

In Russia, Egor Cheliev created a new binder by mixing lime and clay. His results were published in 1822 in his book A Treatise on the Art to Prepare a Good Mortar published in St. Petersburg. A few years later in 1825, he published another book, which described various methods of making cement and concrete, and the benefits of cement in the construction of buildings and embankments.

William Aspdin is considered the inventor of "modern" Portland cement.

Portland cement, the most common type of cement in general use around the world as a basic ingredient of concrete, mortar, stucco, and non-speciality grout, was developed in England in the mid 19th century, and usually originates from limestone. James Frost produced what he called "British cement" in a similar manner around the same time, but did not obtain a patent until 1822. In 1824, Joseph Aspdin patented a similar material, which he called Portland cement, because the render made from it was in color similar to the prestigious Portland stone quarried on the Isle of Portland, Dorset, England. However, Aspdins' cement was nothing like modern Portland cement but was a first step in its development, called a proto-Portland cement. Сын Джозефа Аспдинса Уильям Аспдин покинул компанию своего отца и на своем производстве цемента, по-видимому, случайно произвел силикаты кальция в 1840-х годах, что стало средним шагом в развитии портландцемента. Нововведение Уильяма Аспдина было нелогичным для производителей «искусственного цемента», поскольку им требовалось больше извести в смеси (проблема для его отца), гораздо более высокая температура в печи (и, следовательно, больше топлива), а полученный клинкер очень твердый и быстро становился твердым. изнашивались жернова , которые были единственной доступной технологией измельчения того времени. Таким образом, производственные затраты были значительно выше, но продукт схватывался достаточно медленно и быстро набирал прочность, что открывало рынок для использования в бетоне. Использование бетона в строительстве быстро росло с 1850 года и вскоре стало доминирующим применением цемента. Таким образом, портландцемент начал играть доминирующую роль. Исаак Чарльз Джонсон усовершенствовал производство мезопортландцемента (средняя стадия разработки) и заявил, что он был настоящим отцом портландцемента.

Время схватывания и «ранняя прочность» являются важными характеристиками цементов. Гидравлическая известь, «натуральный» цемент и «искусственный» цемент зависят от содержания в нем белита (2 CaO · SiO ₂ , сокращенно C ₂ S) для повышения прочности . Белите развивает силу медленно. Поскольку их обжигали при температуре ниже 1250 °C (2280 °F), они не содержали алита (3 CaO · SiO ₂ , сокращенно C ₃ S), который отвечает за раннюю прочность современных цементов. Первый цемент, постоянно содержащий алит, был изготовлен Уильямом Аспдином в начале 1840-х годов: это было то, что мы сегодня называем «современным» портландцементом. Из-за атмосферы таинственности, которой Уильям Аспдин окружил свой продукт, другие ( например, Викат и Джонсон) заявляли о приоритете этого изобретения, но недавний анализ как бетона, так и сырого цемента, показали, что продукт Уильяма Аспдина, произведенный в Нортфлите , Кент, был настоящим цементом на основе алита. Однако методы Аспдина были «практическим правилом»: Викат отвечает за установление химической основы этих цементов, а Джонсон установил важность спекания смеси в печи .

В США первым крупномасштабным применением цемента был цемент Розендейл , природный цемент, добываемый из массивного месторождения доломита, открытого в начале 19 века недалеко от Розендейла, штат Нью-Йорк . Цемент Rosendale был чрезвычайно популярен для фундамента зданий ( например , Статуи Свободы , Капитолия , Бруклинского моста ) и облицовки водопроводных труб. Цемент Сорель , или цемент на основе магнезии, был запатентован в 1867 году французом Станисласом Сорелем . Он был прочнее портландцемента, но его плохая водостойкость (выщелачивание) и коррозионные свойства ( питтинговая коррозия из-за присутствия вымываемых хлорид- анионов и низкий уровень pH (8,5–9,5) поровой воды) ограничивали его использование в качестве железобетона для строительства. строительство.

Следующим событием в производстве портландцемента стало внедрение вращающейся печи . В результате получилась клинкерная смесь, которая была одновременно более прочной, поскольку больше алита (C ₃ при более высокой температуре (1450 °C) образуется S), и более однородной. Поскольку сырье постоянно подается во вращающуюся печь, это позволило непрерывному производственному процессу заменить серийного производства с меньшей производительностью. процессы

20 век

Новый завод Национальной цементной компании Эфиопии в Дире-Даве

Цементы на основе алюмината кальция были запатентованы в 1908 году во Франции Жюлем Биедом для лучшей устойчивости к сульфатам. Также в 1908 году Томас Эдисон экспериментировал со сборным железобетоном в домах в Юнионе, штат Нью-Джерси.

В США после Первой мировой войны длительное время отверждения составляющее не менее месяца, цемента Rosendale, сделало его непопулярным для строительства автомагистралей и мостов, и многие штаты и строительные фирмы обратились к портландцементу. Из-за перехода на портландцемент к концу 1920-х годов выжила только одна из 15 цементных компаний Розендейла. Но в начале 1930-х годов строители обнаружили, что, хотя портландцемент схватывается быстрее, он не так прочен, особенно для автомагистралей — до такой степени, что в некоторых штатах перестали строить шоссе и дороги с использованием цемента. в Нью-Йорке Бертрейн Х. Уэйт, инженер, чья компания помогала строить акведук Катскилл , был впечатлен долговечностью цемента Rosendale и разработал смесь цемента Rosendale и портландцемента, которая имела хорошие свойства обоих. Он был очень прочным и имел гораздо более быстрое время схватывания. Уэйт убедил нью-йоркского комиссара по шоссейным дорогам построить экспериментальный участок шоссе недалеко от Нью-Палца, штат Нью-Йорк , используя один мешок Rosendale и шесть мешков портландцемента. Это имело успех, и на протяжении десятилетий смесь цемента Rosendale-Portland использовалась при строительстве бетонных дорог и бетонных мостов.

Цементирующие материалы используются в качестве матрицы для иммобилизации ядерных отходов уже более полувека. Технологии цементации отходов разработаны и внедрены в промышленных масштабах во многих странах. Формы цементных отходов требуют тщательного выбора и процесса проектирования, адаптированного к каждому конкретному типу отходов, чтобы соответствовать строгим критериям приемлемости отходов для долгосрочного хранения и утилизации.

Типы

Компоненты цемента:
сравнение химических и физических характеристик

Свойство		Портленд цемент	Кремнистый летучая зола	известковый летучая зола	Шлак цемент	Кремнезем дым
Массовая доля (%)	SiO 2	21.9	52	35	35	85–97
	Al2OAl2O3	6.9	23	18	12	—
	Fe2OFe2O3	3	11	6	1	—
	Высокий	63	5	21	40	< 1
	MgO	2.5	—	—	—	—
	SOSO3	1.7	—	—	—	—
Удельная поверхность (м 2 /кг)		370	420	420	400	15,000 – 30,000
Удельный вес		3.15	2.38	2.65	2.94	2.22
Общее назначение		Первичное связующее	Замена цемента	Замена цемента	Замена цемента	Усилитель свойств

Современное развитие гидравлического цемента началось с началом промышленной революции (около 1800 г.), вызванное тремя основными потребностями:

• Гидравлическая цементная штукатурка ( штукатурка ) для отделки кирпичных зданий во влажном климате.
• Гидравлические растворы для каменной кладки портовых сооружений и т.п., контактирующих с морской водой.
• Разработка прочных бетонов

Современные цементы часто представляют собой портландцемент или смеси портландцемента, но в некоторых промышленных условиях используются и другие цементные смеси.

портландцемент

Основная статья: Портландцемент

Портландцемент, разновидность гидравлического цемента, на сегодняшний день является наиболее распространенным типом цемента, широко используемым во всем мире. Этот цемент изготавливается путем нагревания известняка (карбоната кальция) с другими материалами (например, глиной ) до 1450 °C (2640 °F) в печи в процессе, известном как кальцинирование , при котором молекула диоксида углерода высвобождается из карбоната кальция в образуют оксид кальция или негашеную известь, которая затем химически соединяется с другими материалами в смеси с образованием силикатов кальция и других вяжущих соединений. Полученное твердое вещество, называемое «клинкером», затем измельчают с небольшим количеством гипса ( CaSO ₄ ·2H ₂ O ) в порошок для изготовления обычного портландцемента , наиболее часто используемого типа цемента (часто называемого OPC). Портландцемент является основным ингредиентом бетона , строительного раствора и большинства неспециализированных растворов . Наиболее распространенным применением портландцемента является производство бетона. Портландцемент может быть серым или белым .

Портландцементная смесь

Смеси портландцемента часто доступны в виде межмолотых смесей от производителей цемента, но аналогичные составы часто также смешиваются из измельченных компонентов на бетоносмесительном заводе.

Портланд-шлаковый цемент , или доменный цемент (номенклатура ASTM C595 и EN 197-1 соответственно), содержит до 95% молотого гранулированного доменного шлака , остальное портланд-клинкер и немного гипса. Все составы обладают высоким пределом прочности, но по мере увеличения содержания шлака начальная прочность снижается, увеличивается сульфатостойкость и уменьшается тепловыделение. Используется как экономическая альтернатива портландсульфатным и низкотемпературным цементам.

Портландцемент с летучей золой содержит до 40% летучей золы по стандартам ASTM (ASTM C595) или 35% по стандартам EN (EN 197–1). Летучая зола является пуццолановой , поэтому сохраняется предельная прочность. Поскольку добавление летучей золы позволяет снизить содержание воды в бетоне, можно сохранить раннюю прочность. Там, где доступна дешевая зола хорошего качества, она может быть экономической альтернативой обычному портландцементу.

Портланд-пуццолановый цемент включает цемент с летучей золой, поскольку летучая зола представляет собой пуццолан , но также включает цемент, изготовленный из других натуральных или искусственных пуццоланов. В странах, где доступен вулканический пепел (например, в Италии, Чили, Мексике, Филиппинах), эти цементы часто являются наиболее распространенной формой использования. Максимальные коэффициенты замены обычно определяются как для цемента с портландской золой.

Портланд-кремниевый цемент. Добавление микрокремнезема может обеспечить исключительно высокую прочность, и иногда производятся цементы, содержащие 5–20% кремнезема, при этом 10% является максимально допустимой добавкой в ​​соответствии с EN 197-1. Однако чаще всего микрокремнезем добавляют в портландцемент в бетономешалке.

Кладочный цемент используется для приготовления растворов для кладки кирпича и штукатурки , и его нельзя использовать в бетоне. Обычно это сложные запатентованные составы, содержащие портландский клинкер и ряд других ингредиентов, которые могут включать известняк, гашеную известь, воздухововлекающие агенты, замедлители схватывания, гидроизоляционные вещества и красители. Они разработаны для получения работоспособных растворов, которые позволяют выполнять быстрые и последовательные работы по кладке. Небольшими вариациями каменного цемента в Северной Америке являются пластичный цемент и штукатурный цемент. Они предназначены для обеспечения контролируемого соединения с каменными блоками.

Расширенные цементы, помимо портланд-клинкера, содержат расширяющиеся клинкеры (обычно сульфоалюминатные клинкеры) и предназначены для компенсации эффектов усадки при высыхании, обычно встречающейся в гидравлических цементах. Из этого цемента можно делать бетон для плит перекрытия (площадью до 60 м²) без усадочных швов.

Белые смешанные высокой чистоты цементы могут быть изготовлены с использованием белого клинкера (содержащего мало железа или вообще не содержащего его) и белых дополнительных материалов, таких как метакаолин . Цветной цемент служит декоративным целям. Некоторые стандарты допускают добавление пигментов для получения цветного портландцемента. Другие стандарты (например, ASTM) не допускают использования пигментов в портландцементе, а цветные цементы продаются как смешанные гидравлические цементы.

Цементы очень тонкого помола представляют собой цемент, смешанный с песком, шлаком или другими минералами типа пуццолана, которые очень тонко измельчены. Такие цементы могут иметь те же физические характеристики, что и обычный цемент, но с содержанием цемента на 50% меньше, особенно потому, что площадь поверхности для химической реакции больше. Даже при интенсивном измельчении они могут использовать на 50% меньше энергии (и, следовательно, меньше выбросов углекислого газа) для производства, чем обычный портландцемент.

Другой

Пуццолан-известковый цемент представляет собой смесь молотого пуццолана и извести . Это цемент, который использовали римляне, и он присутствует в сохранившихся римских сооружениях, таких как Пантеон в Риме. Они развивают силу медленно, но их предельная сила может быть очень высокой. Продукты гидратации, обеспечивающие прочность, по существу такие же, как и в портландцементе.

Шлакоизвестковые цементы — молотый гранулированный доменный шлак — сами по себе не являются гидравлическими, а «активируются» добавлением щелочей, наиболее экономно используют известь. По своим свойствам они подобны пуццолановым известковым цементам. В качестве компонента цемента эффективен только гранулированный шлак (т.е. закаленный в воде стекловидный шлак).

Суперсульфатированные цементы содержат около 80% молотого гранулированного доменного шлака, 15% гипса или ангидрита и немного портландского клинкера или извести в качестве активатора. Они обеспечивают прочность за счет образования эттрингита , рост прочности которого аналогичен медленному портландцементу. Они проявляют хорошую устойчивость к агрессивным агентам, в том числе к сульфатам.

кальция Алюминатные цементы представляют собой гидравлические цементы, изготовленные в основном из известняка и бокситов . Действующими веществами являются алюминат монокальция CaAl ₂ O ₄ (CaO · Al ₂ O ₃ или CA в обозначениях химика-цементиста , CCN) и майенит Ca ₁₂ Al ₁₄ O ₃₃ (12 CaO · 7 Al ₂ O ₃ , или C ₁₂ A ₇ в ККН). Прочность образуется за счет гидратации до гидратов алюмината кальция. Они хорошо приспособлены для использования в огнеупорных (жаростойких) бетонах, например, для футеровки печей.

Цементы на основе сульфоалюмината кальция изготавливаются из клинкеров, которые включают в себя еэлимит (Ca ₄ (AlO ₂ ) ₆ SO ₄ или C ₄ A ₃ S в обозначениях химика-цементиста ) в качестве первичной фазы. Они используются в расширяющихся цементах, в цементах сверхвысокой ранней прочности и в «низкоэнергетических» цементах. Гидратация приводит к образованию эттрингита, а специальные физические свойства (такие как расширение или быстрая реакция) достигаются за счет регулирования доступности ионов кальция и сульфата. Их использование в качестве низкоэнергетической альтернативы портландцементу было впервые использовано в Китае, где производится несколько миллионов тонн в год. Потребность в энергии ниже из-за более низких температур печи, необходимых для реакции, и меньшего количества известняка (который должен быть эндотермически декарбонизирован) в смеси. Кроме того, более низкое содержание известняка и более низкий расход топлива приводят к выбросам CO ₂ примерно вдвое меньше, чем при использовании портлендского клинкера. Однако выбросы SO ₂ обычно значительно выше.

«Природные» цементы, соответствующие некоторым цементам допортлендской эпохи, производятся путем обжига глинистых известняков при умеренных температурах. Уровень глинистых компонентов в известняке (около 30–35%) таков, что в больших количествах образуется белит (малоранний, высокопозднепрочный минерал портландцемента) без образования избыточного количества свободной извести. Как и любой природный материал, такие цементы имеют весьма изменчивые свойства.

Геополимерные цементы изготавливаются из смесей водорастворимых силикатов щелочных металлов и алюмосиликатных минеральных порошков, таких как летучая зола и метакаолин .

Полимерные цементы изготавливаются из органических химикатов, которые полимеризуются. Производители часто используют термореактивные материалы. Хотя они зачастую значительно дороже, из них можно получить водостойкий материал, обладающий полезной прочностью на разрыв.

Сорель Цемент — это твердый и прочный цемент, изготовленный путем сочетания оксида магния и раствора хлорида магния.

с фиброй сеткой Цемент или фибробетон — это цемент, состоящий из волокнистых материалов, таких как синтетические волокна, стеклянные волокна, натуральные волокна и стальные волокна. Этот тип сетки распределяется равномерно по влажному бетону. Целью волоконной сетки является уменьшение потерь воды из бетона, а также повышение его структурной целостности. При использовании в штукатурках волокнистая сетка повышает когезию, прочность на разрыв, ударопрочность и уменьшает усадку; в конечном счете, основная цель этих комбинированных свойств — уменьшить растрескивание.

Электроцемент предлагается производить путем переработки цемента из отходов сноса в электродуговой печи в рамках сталеплавильного процесса. Переработанный цемент предназначен для замены части или всей извести , используемой при производстве стали, в результате чего получается шлакоподобный материал, минералогия которого аналогична портландцементу, что устраняет большую часть связанных с этим выбросов углерода.

Установка, закалка и отверждение

Цемент начинает схватываться при смешивании с водой, что вызывает серию химических реакций гидратации. Компоненты медленно гидратируются, а минеральные гидраты затвердевают и затвердевают. Соединение гидратов придает цементу прочность. Вопреки распространенному мнению, гидравлический цемент не схватывается при высыхании — правильное отверждение требует поддержания соответствующего содержания влаги, необходимого для реакций гидратации во время схватывания и процессов затвердевания. Если гидравлические цементы высыхают на этапе твердения, полученный продукт может быть недостаточно гидратирован и значительно ослаблен. Рекомендуется минимальная температура 5 °C и не более 30 °C. Бетон в молодом возрасте необходимо защищать от испарения воды из-за прямой инсоляции, повышенной температуры, низкой относительной влажности и ветра.

Межфазная переходная зона (ITZ) представляет собой область цементного теста вокруг частиц заполнителя в бетоне . В зоне происходит постепенный переход особенностей микроструктуры . Ширина этой зоны может достигать 35 микрометров. Другие исследования показали, что ширина может достигать 50 микрометров. Среднее содержание непрореагировавшей клинкерной фазы уменьшается, а пористость уменьшается по направлению к поверхности заполнителя. Аналогично в ИТЗ увеличивается содержание эттрингита .

Вопросы безопасности

На мешках с цементом обычно печатаются предупреждения о здоровье и безопасности, поскольку цемент не только сильно щелочной , но и процесс схватывания является экзотермическим . В результате влажный цемент является сильно едким (рН = 13,5) и может легко вызвать серьезные ожоги кожи , если его вовремя не смыть водой. Точно так же сухой цементный порошок при попадании на слизистые оболочки может вызвать серьезное раздражение глаз или дыхательных путей. Некоторые микроэлементы, такие как хром, из примесей, естественно присутствующих в сырье, используемом для производства цемента, могут вызывать аллергический дерматит . Восстановители, такие как сульфат железа (FeSO ₄ ), часто добавляют в цемент для преобразования канцерогенного шестивалентного хромата (CrO ₄ ²⁻ ) в трехвалентный хром (Cr ³⁺ ), менее токсичный химический вид. Пользователи цемента также должны носить соответствующие перчатки и защитную одежду.

Цементная промышленность мира

Мировое производство цемента в 2022 году

Мировые мощности по производству цемента в 2022 году

См. Также: Список стран по производству цемента и цементной промышленности в США.

В 2010 году мировое производство гидравлического цемента составило 3300 мегатонн (3600 × 10 ^ ⁶ короткие тонны) . В тройку крупнейших производителей вошли Китай с 1800, Индия с 220 и Соединенные Штаты с 63,5 миллиона тонн, что в общей сложности составляет более половины мирового объема по трем самым густонаселенным государствам мира.

Что касается мировых мощностей по производству цемента, в 2010 году ситуация была аналогичной: на три крупнейших государства (Китай, Индия и США) приходилось чуть менее половины общемировых мощностей.

В 2011 и 2012 годах мировое потребление продолжало расти, увеличившись до 3585 млн тонн в 2011 году и 3736 млн тонн в 2012 году, тогда как годовые темпы роста снизились до 8,3% и 4,2% соответственно.

Китай, на долю которого приходится растущая доля мирового потребления цемента, остается основным двигателем глобального роста. К 2012 году спрос в Китае составил 2160 млн тонн, что составляет 58% мирового потребления. Годовые темпы роста, достигшие 16% в 2010 году, похоже, замедлились, замедлившись до 5–6% в 2011 и 2012 годах, поскольку экономика Китая нацелена на более устойчивые темпы роста.

За пределами Китая мировое потребление выросло на 4,4% до 1462 млн тонн в 2010 году, на 5% до 1535 млн тонн в 2011 году и, наконец, на 2,7% до 1576 млн тонн в 2012 году.

В настоящее время Иран является третьим по величине производителем цемента в мире и увеличил его производство более чем на 10% с 2008 по 2011 год. Из-за растущих цен на электроэнергию в Пакистане и других крупных странах-производителях цемента Иран находится в уникальном положении торгового партнера, использующего свои собственные излишки нефти для электроснабжения заводов по производству клинкера. Будучи ведущим производителем на Ближнем Востоке, Иран продолжает укреплять свои доминирующие позиции на местных рынках и за рубежом.

Показатели Северной Америки и Европы в период 2010–2012 годов разительно контрастировали с показателями Китая, поскольку глобальный финансовый кризис перерос в кризис суверенного долга для многих экономик этого региона. и рецессия. Уровень потребления цемента в этом регионе упал на 1,9% в 2010 году до 445 млн тонн, восстановился на 4,9% в 2011 году, а затем снова снизился на 1,1% в 2012 году.

Результаты в остальном мире, который включает многие развивающиеся экономики в Азии, Африке и Латинской Америке и где спрос на цемент составил около 1020 млн тонн в 2010 году, были положительными и более чем компенсировали спад в Северной Америке и Европе. Годовой рост потребления был зафиксирован на уровне 7,4% в 2010 году, замедляясь до 5,1% и 4,3% в 2011 и 2012 годах соответственно.

По состоянию на конец 2012 года мировая цементная отрасль насчитывала 5673 предприятия по производству цемента, включая как комплексные, так и помольные, из которых 3900 располагались в Китае и 1773 — в остальном мире.

В 2012 году общие мировые мощности по производству цемента составили 5245 млн тонн, из них 2950 млн тонн располагались в Китае и 2295 млн тонн в остальном мире.

Китай

Основная статья: Цементная промышленность Китая

«За последние 18 лет Китай последовательно производил больше цемента, чем любая другая страна в мире. [...] (Однако) экспорт цемента из Китая достиг пика в 1994 году, когда было отгружено 11 миллионов тонн, и с тех пор постоянно снижается. В 2002 году из Китая было экспортировано только 5,18 миллиона тонн. Китайский цемент, предлагаемый по цене 34 доллара за тонну, вытесняет себя с рынка, поскольку Таиланд просит всего 20 долларов за такое же качество».

По оценкам, в 2006 году Китай произвел 1,235 миллиарда тонн цемента, что составило 44% от общего мирового производства цемента. «Ожидается, что спрос на цемент в Китае будет расти на 5,4% ежегодно и превысит 1 миллиард тонн в 2008 году, что обусловлено медленным, но здоровым ростом расходов на строительство. Цемент, потребляемый в Китае, составит 44% мирового спроса, и Китай останется мировым лидером. крупнейшим национальным потребителем цемента с большим отрывом».

В 2010 году в мире было потреблено 3,3 миллиарда тонн цемента. Из них на долю Китая пришлось 1,8 млрд тонн.

Воздействие на окружающую среду

Дополнительная информация: Воздействие бетона на окружающую среду.

Производство цемента оказывает воздействие на окружающую среду на всех этапах процесса. К ним относятся выбросы атмосферных загрязнений в виде пыли, газов, шума и вибрации при работе техники и при взрывных работах в карьерах , а также ущерб сельской местности от разработки карьеров. Широко применяется оборудование для снижения выбросов пыли при добыче полезных ископаемых и производстве цемента, все шире применяется оборудование для улавливания и отделения выхлопных газов. Защита окружающей среды также включает реинтеграцию карьеров в сельскую местность после их закрытия путем возвращения их в природу или их рекультивации.

CO ₂ Выбросы

Global carbon emission by type to 2018

Концентрация углерода в цементе колеблется от ≈5% в цементных конструкциях до ≈8% в случае дорог из цемента. Производство цемента выбрасывает CO ₂ в атмосферу как непосредственно при карбоната кальция нагревании , образуя известь , так и углекислый газ . а также косвенно за счет использования энергии, если ее производство связано с выбросами CO ₂ . Цементная промышленность производит около 10% мировых антропогенных _CO2 выбросов , из которых 60% приходится на химические процессы и 40% на сжигание топлива. По оценкам исследования Chatham House , проведенного в 2018 году, на 4 миллиарда тонн цемента, производимого ежегодно, приходится 8% мировых _{выбросов CO2} .

около 900 кг CO2 _. На каждые 1000 кг произведенного портландцемента выбрасывается В Европейском Союзе с 1970-х годов удельное энергопотребление при производстве цементного клинкера сократилось примерно на 30%. Такое сокращение потребностей в первичной энергии эквивалентно примерно 11 миллионам тонн угля в год с соответствующими преимуществами в виде сокращения выбросов CO ₂ . На его долю приходится примерно 5% антропогенного CO ₂ .

Большая часть выбросов углекислого газа при производстве портландцемента (около 60%) образуется в результате химического разложения известняка до извести, ингредиента портландцементного клинкера. Эти выбросы можно сократить за счет снижения содержания клинкера в цементе. Их также можно уменьшить с помощью альтернативных методов изготовления, таких как перемалывание цемента с песком, шлаком или другими минералами типа пуццолана до очень мелкого порошка.

Чтобы сократить транспортировку более тяжелого сырья и минимизировать связанные с этим затраты, экономически выгоднее строить цементные заводы ближе к карьерам известняка, чем к центрам потребления.

По состоянию на 2019 год улавливания и хранения углерода , но их финансовая жизнеспособность сомнительна. Скоро будут опробованы методы

CO ₂ поглощение

Гидратированные продукты портландцемента, такие как бетон и строительные растворы, медленно поглощают атмосферный газ CO2, который выделяется во время обжига в печи. Этот естественный процесс, обратный обжигу, называется карбонизацией. Поскольку он зависит от диффузии CO2 в объем бетона, его скорость зависит от многих параметров, таких как условия окружающей среды и площадь поверхности, подвергающейся воздействию атмосферы. Карбонизация особенно значительна на последних этапах жизни бетона – после сноса и дробления обломков. Было подсчитано, что в течение всего жизненного цикла цементной продукции она может реабсорбировать почти 30% атмосферного CO2, образующегося при производстве цемента.

Процесс карбонизации рассматривается как механизм деградации бетона. Снижает pH бетона, что способствует коррозии арматурной стали. Однако, поскольку продукт карбонизации Ca(OH)2 – CaCO3 – занимает больший объем, пористость бетона снижается. Это увеличивает прочность и твердость бетона.

Существуют предложения по сокращению выбросов углекислого газа от гидравлического цемента за счет использования для определенных применений негидравлического цемента, известкового раствора . Он реабсорбирует часть CO ₂ во время затвердевания и потребляет меньше энергии при производстве, чем портландцемент.

Еще несколько попыток увеличить поглощение углекислого газа включают цементы на основе магния ( цемент Сорел ).

Выбросы тяжелых металлов в воздух

В некоторых случаях, в основном в зависимости от происхождения и состава используемого сырья, процесс высокотемпературного обжига известняка и глинистых минералов может выделять в атмосферу газы и пыль, богатые летучими тяжелыми металлами , например таллием , кадмий и ртуть являются наиболее токсичными. Тяжелые металлы (Tl, Cd, Hg, ...), а также селен часто встречаются в качестве микроэлементов в сульфидах обычных металлов ( пирит (FeS ₂ ), цинковая обманка (ZnS) , галенит (PbS), ...), присутствующих в виде вторичные минералы в большинстве сырьевых материалов. Во многих странах существуют экологические нормы, ограничивающие эти выбросы. По состоянию на 2011 год в США цементным печам «по закону разрешено выбрасывать больше токсинов , чем установкам для сжигания опасных отходов». в воздух

Тяжелые металлы присутствуют в клинкере

Присутствие тяжелых металлов в клинкере обусловлено как природным сырьем, так и использованием переработанных побочных продуктов или альтернативного топлива . Высокий уровень pH, преобладающий в поровой воде цемента (12,5 < pH < 13,5), ограничивает подвижность многих тяжелых металлов за счет снижения их растворимости и увеличения их сорбции на минеральных фазах цемента. Никель , цинк и свинец обычно содержатся в цементе в значительных концентрациях. Хром также может образовываться непосредственно в виде естественных примесей из сырья или в качестве вторичного загрязнения в результате истирания твердых сплавов хромистой стали, используемых в шаровых мельницах при измельчении клинкера. В виде хромата (CrO ₄ ²⁻ ) токсичен и может вызвать тяжелую кожную аллергию при следовых концентрациях. Иногда его восстанавливают до трехвалентного Cr(III) добавлением сульфата железа (FeSO ₄ ).

Использование альтернативных видов топлива и побочных продуктов

Цементный завод потребляет от 3 до 6 ГДж топлива на тонну произведенного клинкера, в зависимости от сырья и используемого процесса. Большинство цементных печей сегодня используют уголь и нефтяной кокс в качестве основного топлива и, в меньшей степени, природный газ и мазут. Отобранные отходы и побочные продукты с восстанавливаемой теплотворной способностью могут использоваться в качестве топлива в цементной печи (так называемая совместная переработка ), заменяя часть обычного ископаемого топлива , такого как уголь, если они соответствуют строгим спецификациям. Отобранные отходы и побочные продукты, содержащие полезные минералы, такие как кальций, кремнезем, глинозем и железо, могут использоваться в качестве сырья в печи, заменяя такое сырье, как глина, сланец и известняк. Поскольку некоторые материалы содержат как полезные минералы, так и восстанавливаемую теплоту сгорания, различие между альтернативными видами топлива и сырьем не всегда четкое. Например, осадок сточных вод имеет низкую, но значительную теплотворную способность и сгорает с образованием золы, содержащей минералы, полезные в матрице клинкера. Отходы автомобильных и грузовых шин полезны при производстве цемента, поскольку они имеют высокую теплотворную способность, а железо, включенное в шины, полезно в качестве сырья.

Клинкер производится путем нагревания сырья внутри основной горелки печи до температуры 1450 °C. Пламя достигает температуры 1800 °C. Материал остается при 1200 °C в течение 12–15 секунд при 1800 °C (и/или?) в течение 5–8 секунд (также называемое временем пребывания). Эти характеристики клинкерной печи дают многочисленные преимущества и обеспечивают полное разрушение органических соединений, полную нейтрализацию кислых газов, оксидов серы и хлористого водорода. Кроме того, следы тяжелых металлов внедряются в структуру клинкера и не образуются побочные продукты, такие как зола или остатки.

Цементная промышленность ЕС уже использует более 40% топлива, полученного из отходов и биомассы, для обеспечения тепловой энергии в процессе производства серого клинкера. Хотя выбор так называемого альтернативного топлива (AF) обычно обусловлен затратами, другие факторы становятся все более важными. Использование альтернативных видов топлива приносит пользу как обществу, так и компании: выбросы CO ₂ ниже, чем при использовании ископаемого топлива, отходы можно перерабатывать эффективно и устойчиво, а спрос на некоторые первичные материалы может быть снижен. Тем не менее, существуют большие различия в доле использования альтернативных видов топлива между государствами-членами Европейского Союза (ЕС). Социальные выгоды могут быть улучшены, если больше государств-членов увеличат свою долю альтернативных видов топлива. Исследование Ecofys оценили препятствия и возможности для дальнейшего внедрения альтернативных видов топлива в 14 странах-членах ЕС. Исследование Ecofys показало, что местные факторы ограничивают потенциал рынка в гораздо большей степени, чем техническая и экономическая осуществимость самой цементной промышленности.

Цемент с уменьшенной занимаемой площадью

Растущие экологические проблемы и рост стоимости ископаемого топлива привели во многих странах к резкому сокращению ресурсов, необходимых для производства цемента, а также отходов (пыли и выхлопных газов). Цемент с уменьшенной занимаемой площадью — это вяжущий материал, который соответствует или превосходит функциональные возможности портландцемента. Различные методики находятся в стадии разработки. Одним из них является геополимерный цемент , в состав которого входят переработанные материалы, что позволяет снизить потребление сырья, воды и энергии. Другой подход заключается в сокращении или прекращении производства и выбросов вредных загрязняющих веществ и парниковых газов, особенно CO ₂ . переработка старого цемента в электродуговых печах . Еще один подход — Кроме того, команда из Эдинбургского университета разработала процесс «DUPE», основанный на микробной активности Sporosarcina Pasteurii , бактерии, осаждающей карбонат кальция, которая при смешивании с песком и мочой может производить строительные блоки с прочностью на сжатие 70%. из бетона. Обзор экологически чистых методов производства цемента можно найти здесь.

См. также

• Асфальтобетон
• Теория СТАВКИ
• Кальциево-алюминатные цементы
• Обозначения химика-цементиста
• Цементная штукатурка
• Ценоцелл
• Энергетически модифицированный цемент (ЭМС)
• Летучая зола
• Геополимерный цемент
• портландцемент
• Розендейл цемент
• Сульфатная атака на бетон и раствор
• Серный бетон
• Дядя
• Пустота (композиты)
• Список стран по производству цемента

Дальнейшее чтение

• Тейлор, Гарри Ф.В. (1997). Цементная химия . Томас Телфорд. ISBN  978-0-7277-2592-9 .
• Питер Хьюлетт; Мартин Лиска (2019). Химия цемента и бетона Ли . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-100795-2 .
• Эйтцин, Пьер-Клод (2000). «Цементы вчера и сегодня: Бетон завтрашнего дня». Исследования цемента и бетона . 30 (9): 1349–1359. дои : 10.1016/S0008-8846(00)00365-3 .
• ван Осс, Хендрик Г.; Падовани, Эми К. (2002). «Производство цемента и окружающая среда. Часть I: Химия и технология». Журнал промышленной экологии . 6 (1): 89–105. Бибкод : 2002JInEc...6...89O . дои : 10.1162/108819802320971650 . S2CID   96660377 .
• ван Осс, Хендрик Г.; Падовани, Эми К. (2003). «Производство цемента и окружающая среда. Часть II: Экологические проблемы и возможности» (PDF) . Журнал промышленной экологии . 7 (1): 93–126. Бибкод : 2003JInEc...7...93O . CiteSeerX   10.1.1.469.2404 . дои : 10.1162/108819803766729212 . S2CID   44083686 . Архивировано из оригинала (PDF) 22 сентября 2017 года . Проверено 24 октября 2017 г.
• Деолалкар, СП (2016). Проектирование заводов по производству зеленого цемента . Амстердам: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  9780128034354 . ОСЛК   919920182 .
• Фридрих В. Лохер: Цемент: Принципы производства и использования , Дюссельдорф, Германия: Verlag Bau + Technik GmbH, 2006, ISBN   3-7640-0420-7
• Джавед И. Бхатти, Ф. МакГрегор Миллер, Стивен Х. Косматка; редакторы: «Инновации в производстве портландцемента» , SP400, Ассоциация портландцемента , Скоки, Иллинойс, США, 2004 г., ISBN   0-89312-234-3
• «Почему выбросы цемента имеют значение для изменения климата». Архивировано 21 марта 2019 г. в Wayback Machine Carbon Brief 2018.
• Невилл, AM (1996). Свойства бетона. Четвертое и последнее издание стандартов . Пирсон, Прентис Холл. ISBN  978-0-582-23070-5 . OCLC   33837400 .
• Тейлор, HFW (1990). Цементная химия . Академическая пресса. п. 475 . ISBN  978-0-12-683900-5 .
• Ульм, Франц-Иосиф; Ролан Ж.-М. Пелленк; Акихиро Кушима; Рузбе Шахсавари; Кристин Дж. Ван Влит; Маркус Дж. Бюлер; Сидни Йип (2009). «Реалистичная молекулярная модель гидратов цемента» . Труды Национальной академии наук . 106 (38): 16102–16107. Бибкод : 2009PNAS..10616102P . дои : 10.1073/pnas.0902180106 . ПМЦ   2739865 . ПМИД   19805265 .

Внешние ссылки

• «Цемент» . Британская энциклопедия . Том. 5 (11-е изд.). 1911.