Что такое цемент: история, химия и промышленность
Цемент - это мелкодисперсное порошкообразное вещество, состоящее главным образом из известняка, песка и глины, боксита и железной руды. Также портландцемент может содержать некоторые включения: раковины моллюсков, мел, мергель, глину, доменный шлак, сланец. Сырьевые ингредиенты перерабатываются на цементном производстве, где сырье нагревают и формируют твердокаменное вещество под названием клинкер, которое затем измельчают в мелкий порошок для продажи. Цемент, смешанный с водой, вызывает химическую реакцию и образует раствор, который застывает и затвердевает для связывания отдельных конструкций строительных материалов.
Цемент является неотъемлемой частью городской инфраструктуры. Бетон состоит из цемента, воды, песка и гравия, смешанные в определенных пропорциях, в то время как раствор состоит из цемента, воды и известкового заполнителя. Оба они используются для связывания природного камня, кирпичей и других строительных блоков, заполнения или уплотнения любых зазоров, а также для изготовления декоративных элементов. Цемент часто смешивают с водными силикатами и алюминатами, в процессе чего образуется водоотталкивающая затвердевшая масса, которую используют для гидроизоляции бассейнов и каналов.
История цемента
Цемент, хотя и отличается от рафинированного продукта, производимого в настоящее время, был использован во многих формах с момента появления человеческой цивилизации. От вулканического пепла, измельченной керамики, обожженного гипса и гидратированной извести до первого гидравлического цемента, используемого римлянами в Средние века, развитие цемента продолжалось до 18 века, тогда же был запатентован первый Римский цемент, который получил популярность, но был заменен портландцементом в 1850-х годах.
В 19 веке француз Луи Викат заложил основы химического состава портландцемента, а в России Егор Челиев опубликовал методы изготовления цемента, способы применения цемента и его преимущества. Джозеф Аспдин вывел портландцемент на рынок Англии, а его сын Уильям Аспдин разработал «современный» портландцемент , который вскоре оказался достаточно востребованным. Но настоящим отцом портландцемента считается Айзек Чарльз Джонсон, который внес огромный вклад, опубликовав процесс разработки мезопортландцемента в печи для обжига.
В 19 веке в Нью-Йорке появился цемент Розендейл. Хотя жесткость этого цемента сделала его довольно популярным, рыночный спрос вскоре снизился из-за долгого времени отверждения, и портландцемент снова стал фаворитом. Однако новая смесь Розендейла, которая является одновременно очень прочной и требует меньшего времени отверждения, была запатентована и теперь часто используется для строительства мостов и шоссе.
Цемент, используемый сегодня, подвергся экспериментам, испытаниям и значительным улучшениям для удовлетворения потребностей современного мира. Нынешний цемент лежит в основе прочных бетонов для дорог и автомагистралей, гидравлических растворов, которые выдерживают морскую воду, и штукатурки для влажного климата. Различные виды современного цемента, большинство из которых известны как портландцемент, в том числе доменный цемент, зольный портландцемент, портландцемент пуццолан, пуццолан-известковый цемент, шлаково-известковый цемент и др. также находят свое применение в гражданском строительстве.
Химия цемента
Цемент в основном бывает двух видов, основанных на том, как он затвердевает: гидравлический цемент, который затвердевает из-за добавления воды, и негидравлический цемент, который затвердевает путем карбонизации с углеродом, присутствующим в воздухе.
Негидравлический цемент производится на следующих стадиях (известковый цикл):
Кальцинирование: известь получают из известняка при температуре выше 825°с в течение примерно 10 часов. (CaCO3 CaO + CO2)
Гашение: оксид кальция смешивают с водой, чтобы сделать гашеную известь. (CaO + H 2 O Ca (OH) 2), вода при этом полностью испаряется.
Цемент подвергается воздействию сухого воздуха и затвердевает после длительных реакций. (Ca (OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O)
С другой стороны, гидравлический цемент в основном состоит из силикатов и оксидов:
Волластонит (2CaO•SiO 2);
Алит (3CaO•SiO 2);
Трикальцийалюминат / селит (3CaO•Al 2 O 3)
Браунмиллерит (4CaO * Al 2 O3 * Fe 2 O 3) или четырехкальциевый алюмоферрит
Ингредиенты перерабатываются в печи для обжига на цементных заводах. Полная химия этих реакций до сих пор является предметом исследований.
Портландцемент
Наиболее часто используемый цемент в настоящее время - это гидравлический цемент (т. е. затвердевает при добавлении воды) известный как портландцемент или портландцементная смесь. Данный вид цемента обычно является основным ингредиентом при изготовлении бетона, который является строительным материалом, используемый при его затвердевании в качестве несущего элемента строительной конструкции. Портландцемент подходит для влажного климата и может использоваться под водой. Различные типы или смеси портландцемента включают портландцемент изготовленный из шлака доменной печи, портландцемент выполненный из золы, портландцемент пуццолана, портландцемент кремнеземистый, экспансивный цемент, белый смешанный цемент, пигментированный цемент.
Состав портландцемента
85% портландцементного клинкера (37-72% от 3CaO.SiO 2; 6-47% 2CaO.SiO2; 2-20% 2CaO.Al2O3; 2-19% 4CaO. Ал 2 О 3 .Fe 2 O 3), 1,5-3,5% гипса по содержанию SO 3, до 15% примесей.
Как сделать портландцемент?
На заводе по производству цемента, известняк и другие сырьевые материалы, такие как силикаты, бокситы, железная руда и др. нагреваются так, что молекулы углекислого газа выделяются из известняка с образованием негашеной извести, которая соединяется с другими ингредиентами, в результате чего образуются силикаты кальция и другие продукты. Таким образом, получают клинкер, твердокаменное вещество. Гипс добавляют в клинкер, а затем измельчают в мелкий порошок, который является конечным продуктом, известным как портландцемент.
Цементная промышленность в мире
Тремя ведущими производителями цемента в мире являются США, Китай и Индия. Среди этих стран только Китай производит около 45% от общего объема мирового производства цемента.
Мировое потребление цемента продолжает расти, так как это не подлежащий переработке продукт, и поэтому каждое новое строительство или ремонт нуждается в новом цементе. Особенно в экономиках Азии и Восточной Европы производство цемента является важным элементом прогресса.
В мире насчитывается около 2273 действующих заводов по производству цемента. Некоторые из ведущих производителей цемента: Lafarge Holcim, Anhui Conch, China National Building Materials, Heidelberg Cement, Cemex, Italcementi, China Resources Cement, Taiwan Cement, Eurocement и Votorantim. Общее мировое потребление цемента, как показывают некоторые статистические данные, составляет до 23 миллионов метрических тонн.
Среди развитых капиталистических стран ведущими производителями цемента являются США, Франция, Италия и Германия. Иран, в настоящее время ведущий производитель на Ближнем Востоке, занимает третью позицию в мире по производству цемента. Азиатские и африканские страны также прогрессируют в производстве цемента.
Процесс обжига на цементном заводе вызывает выброс углекислого газа, который является одним из основных парниковых газов, ответственных за глобальное потепление. В целях сокращения и даже ликвидации вредных экологических последствий использования цемента, ведущие отрасли промышленности в настоящее время пытаются внедрить инновационные технологии, позволяющие использовать переработанные материалы и возобновляемые источники энергии. «Зеленый цемент» - это совершенно новый устойчивый строительный материал, который является результатом обширных исследований, связанных с устранением последствий глобального потепления.
Фото с сайта Pixabay.com
Комментарии читателей Оставить комментарий