Из чего делают цемент: обзор основных и вспомогательных компонентов в составе

Цемент – это сухая смесь компонентов, на основе которой производят бетон. Рассказываем, как это происходит.

Эксплуатационные характеристики, долговечность, надежность зданий и инженерных сооружений зависят от того, из каких материалов они построены. Эра монолитного строительства подарила миру небоскребы, многокилометровые мосты, виадуки, башни и огромные цеха промышленных предприятий. Это стало возможным благодаря цементу – вяжущему компоненту, на основе которого изготавливают бетон.

Независимо от масштабов проекта, будь то возведение многоквартирного жилого комплекса или благоустройство участка у частного дома, для его реализации используют строительные смеси. И в состав большинства из них входит цемент.

Что такое цемент

Это сухая смесь компонентов, включая карбонатные, глинистые породы и вспомогательные добавки. При взаимодействии с катализатором (обычно – с водой) они вступают в реакцию и образуют монолитную прочную структуру. Впервые такие пластичные строительные смеси на основе извести и глины стали массово использовать около 4000 лет до н.э. в Риме, Египте, Китае, Индии и Греции. При обжиге глиняных смесей получали строительные блоки, которые соединяли между собой с помощью вяжущего известкового компонента.

Многие древние строения сохранились до наших дней, что наглядно демонстрирует эффективность технологии. Сегодня же состав цемента доработан, поэтому его эксплуатационные свойства дают еще больше возможностей, включая строительство под водой, при отрицательных температурах и в других экстремальных условиях.

Свойства и области применения

Цемент – порошкообразный материал, который при добавлении воды образует пластичную массу. В результате реакции он отвердевает, превращается в искусственный камень. Эксплуатационные характеристики после набора прочности зависят от типа цемента и состава бетона, в который добавляют наполнители, пластификаторы и др.

В жидком состоянии бетон легко принимает заданные формы, поэтому его широко используют в производстве ЖБИ (железобетонных изделий). Это столбы, бордюрные камни, колодезные кольца, железнодорожные шпалы, плиты перекрытий, фасадный декор и т.п. Также бетоны становятся основой в монолитном строительстве при возведении несущих конструкций, их используют в качестве кладочных смесей и при заливке полов.

Виды и состав

Основные виды цемента:

• Портландцемент (с минеральными добавками и без них) – один из наиболее распространенных. Универсальный. Его используют для приготовления строительных смесей и бетона.
• Шлакопортландцемент – аналог портландцемента с добавлением гранул доменных шлаков (от 25 до 60 %). Главный плюс – повышенная прочность.
• Глиноземистый – в нем преобладает алюминатная фаза (оксида алюминия в составе от 40 %). Плюсы – быстрое схватывание, ускоренный набор прочности, термостойкость.
• Сульфатостойкий – отличается повышенной устойчивостью перед воздействиями соленой воды.
• Пуццолановый – с добавлением вулканических пород. Медленно твердеет, отличается повышенными антикоррозионными свойствами.
• Кислотоупорный – содержит кварциты, диабазы, шамот, базальт и другие добавки. Устойчив перед минеральными и органическими кислотами.
• Магнезиальный – содержит оксид магния. Разводится растворами солей, быстро схватывается, отличается повышенной адгезией.

В зависимости от состава и характеристик материал маркируют соответствующим образом.

Маркировка цемента

Марка цемента, которую обозначают буквой «М», указывает на его твердость после схватывания, то есть способность выдерживать точечные нагрузки (кг/см²). Прочность на сжатие соответствует заявленной цифре (М100 – 100 кг/см², М500 – 500 кг/см²). В России применяют обновленный стандарт ГОСТ 52293-2016. Соотношение цифр в нем следующее:

100	7.5
200	15
300	22.5
400	32.5
500	42.5
600	52.5
700	62.5

 

Однако свойства материала – это не только его твердость, поэтому в маркировку включают данные о типах, процентном содержании добавок, скорости набора прочности и виде цемента в соответствии с составом.

Основные компоненты цемента

Для получения конечного продукта используют следующие компоненты:

• Сырье – проходит дополнительную предварительную обработку (очистку, обжиг, измельчение и т.п.). Это карбонатные, глинистые горные породы, которые добывают открытым способом.
• Полуфабрикаты – это компоненты, которые прошли предварительную обработку, подготовку. К ним относится клинкер, гипс, минералы.
• Добавки и наполнители – это большая группа веществ, которые меняют свойства конечного продукта.

От соотношения компонентов зависят эксплуатационные свойства готового бетона.

Сырьевые компоненты

В качестве сырья на производствах используют:

• Карбонатные осадочные породы – карбонатолиты. Их основа – это карбонат кальция CaCO₃ или магния MgCO₃. К ним относится мел, известняк, доломиты, сидериты и магнезиты, а также смесовые породы.
• Глинистые породы – они повышают пластичность смеси. К ним относятся глины, суглинки, глинистые сланцы, лёсс. Их процентное содержание в общей сырьевой массе составляет до 25%.

Прежде чем стать полуфабрикатами, они проходят несколько подготовительных стадий, включая очистку, определение точного химического состава, измельчение, обжиг и другие.

Полуфабрикатные (промежуточные) компоненты

После первичной подготовки и обработки сырье превращается в полуфабрикат для изготовления смеси, в которую входят:

• Клинкер – основа, которую получают в процессе нагревания известняка и глины со вспомогательными добавками. Температура достигает 1500 градусов Цельсия, что приводит к частичному расплавлению сырьевой массы и формированию плотных гранул, которые впоследствии перемалывают в порошок.
• Гипс – его главная задача состоит в регулировании скорости схватывания. Любопытно, что он именно замедляет процесс гидратации, что продлевает «живучесть» разведенных водой строительных смесей, бетона.
• Минералы – это может быть зола, микрокремнезем, шлаки и другие компоненты, которые определенным образом меняют свойства разведенной водой смеси и отвердевшего бетона.

В состав входят и другие вещества, которые существенно влияют на поведение раствора или характеристики готовых строительных конструкций.

Вспомогательные добавки и наполнители

Они различаются по типу действия:

• Пластификаторы – повышают пластичность разведенного раствора на фоне снижения потребности в воде. Это упрощает производство ЖБИ на вибростолах и уплотнение бетона при заливке.
• Ускорители – сокращают время схватывания раствора и набора прочности, что важно при высоких темпах строительства.
• Замедлители – увеличивают время схватывания, повышают «живучесть» раствора, что важно при работе в южных регионах в летнюю жару или при транспортировке бетона на большие расстояния.
• Ингибиторы – защищают от окисления и коррозии металлическую арматуру и другие детали из стали внутри ЖБИ, зданий или сооружений.
• Аэраторы или вспениватели – способствуют насыщению раствора пузырьками воздуха, порами, которые поглощают влагу и не дают готовой конструкции разрушаться при крепких морозах.
• Противоморозные добавки – дают возможность работать с бетоном при отрицательных температурах, то есть, снижают температуру замерзания раствора (кристаллизации в нем воды).

Каждая добавка решает свои задачи, причем она может быть сразу введена в цемент, расфасованный на производстве, или добавляться отдельно при замешивании раствора.

Примеры вспомогательных добавок

Несколько примеров активных добавок, которые меняют свойства раствора и отвердевшего бетона:

• Кремний – повышает прочность, снижает пористость (проницаемость).
• Железо – повышает качество клинкера за счет снижения температуры плавления.
• Оксид алюминия – ускоряет набор прочности, сокращает время схватывания.
• Полимеры – повышают ударную прочность, влагостойкость, улучшают адгезию.
• Соли – снижают температуру замерзания раствора, ускоряют схватывание.
• Зола – повышает прочность, долговечность, улучшает консистенцию смеси, раствора.

Добавки могут комбинироваться друг с другом для достижения желаемых характеристик готового продукта.

Наполнители

Помимо активных присадок в цемент добавляют инертные наполнители. Они нужны не просто для увеличения объема, а для улучшения физических свойств. Примеры некоторых таких компонентов:

• Песок – снижает хрупкость бетона, не допускает образования трещин.
• Шлаки – улучшают вязкость, повышают влагостойкость, морозостойкость.
• Измельченный гравий – улучшает структуру раствора, его гомогенизацию.
• Микрофибра – повышает прочность готовых изделий, армирует.

Это лишь малая часть огромного количества наполнителей, которые добавляют в цемент на производстве. Также есть наполняющие компоненты, которые вводят непосредственно в раствор. Это гравий, галька, керамзит, песок. Они необходимы для увеличения объема.

На что влияет состав цемента

Он определяет свойства раствора и готового отвердевшего бетона. Основные показатели – это прочность или твердость, коррозионная стойкость, термостойкость, плотность и удельный вес. Также это водопотребление при замешивании раствора, время схватывания и набора прочности, живучесть смеси, срок годности. Некоторые виды специального бетона способны отвердевать под водой – их используют для строительства гидротехнических сооружений, опор мостов. Другие схватываются при температурах до -20 градусов или выдерживают жару до +50, переносят долгую транспортировку. Все это определяет состав цемента и раствора.

Технологии производства

В общих чертах рассмотрим методы изготовления цемента:

• Сухой – все компоненты используют в сухом виде, дробят без добавления воды.
• Мокрый – сырье смешивают с водой и получают шихту, с которой работают далее.
• Комбинированный – мокрое смешивание с последующим удалением влаги.

Выбор зависит от того, какой именно цемент нужно получить, какие свойства ему надо придать, какие средства вложены в производство.

Сухое производство

Это экономичный с точки зрения производственных энергетических затрат способ, при котором все компоненты смешивают и запекают в сухом виде. Предварительно их сушат, дробят, смешивают в нужных пропорциях и обжигают в барабанных печах при температуре до +1500 градусов Цельсия. В результате нагрева происходит декарбонизация, протекает ряд экзотермических реакций, а все компоненты спекаются и образуют гранулы. Далее охлажденный клинкер перемалывают в шаровых или вертикальных валковых мельницах в порошок, который смешивают с дополнительными компонентами и фасуют.

Мокрое производство

Метод отличается тем, что первичные компоненты перемалывают и смешивают с водой, а затем снова перетирают в мельнице. Полученную шихту с влажностью 40-50% отправляют в печи для обжига. В отличие от сухого метода нагрев длится дольше, поэтому производство требует более высоких затрат энергоресурсов. Однако есть и плюсы – меньшие объемы пыли, упрощенный размол компонентов, не требуется предварительная сушка.

Комбинированный метод

При комбинированном подходе сначала готовят мокрую шихту, которая после помола дополнительно проходит стадию предварительной сушки. В печи отправляется заготовка с содержанием влаги 10-20%, поэтому энергии на обжиг уходит меньше, чем при использовании мокрой методики.

Выбор цемента для благоустройства территорий

Выбор зависит в первую очередь от региона и от конкретных задач. Для заливки небольших площадок, садовых дорожек подойдет материал марки М400 или М500 (32.5 или 42.5), Д0 (без добавок) или Д20 (ЦЕМ1 или ЦЕМ2). Для северных районов важна морозостойкость бетона (F100-F200).

Чтобы не допустить ошибок, поручите выбор материала и работу с ним компании «РЕСАНТА». Мы выполняем общестроительные работы и благоустройство участков с гарантиями качества.