Из чего делают цемент: химический состав, формула, технологии производства (+9 фото и 7 видео)

Без этого материала невозможно представить современную строительную площадку. Цемент уже более ста лет позволяет сооружать крепчайшие конструкции, его используют для проведения ремонтных работ, с его помощью выполняют отделку помещений, но при этом мало кто задумывается, из чего делают цемент.

Итак, что такое цемент? Этот материал представляет собой порошок, в основу которого входят неорганические соединения. Взаимодействуя с водой, этот порошок начинает твердеть и приобретать прочность монолитного, крепкого материала, заполняя заранее приготовленную форму.

Реакция происходит при обеспечении достаточной влажности. После набора прочности, конструкции из цемента могут служить длительное время без изменения основных свойств. Заводы, занимающиеся производством данного материала, стараются располагать в непосредственной близости к источнику добычи сырья, так как объемы переработки и перевозки материалов для изготовления цемента достаточно высоки.

Чтобы понять, из чего состоит цемент, достаточно показать химический состав цемента, самого используемого в строительстве, — портландцемент. Его изготавливают, применяя следующие пропорции:

оксид кальция – не менее 60%;
диоксид кремния – не менее 20%;
глинозем – не менее 4%;
оксид железа – не менее 2%;
оксид магния – не менее 1%.

Формулы других видов цемента схожи, корректируется лишь количество каждого ингредиента.

Состав

Изготавливают цемент на специализированных предприятиях. Цементные заводы строят в непосредственной близости к местам добывания исходных материалов.
Сырье для его производства получают из естественных горных пород:

ископаемых карбонатного типа;
глинистых материалов.

Карбонаты имеют аморфную или кристаллическую структуру, от которой зависит эффективность взаимодействия материала с другими составляющими в процессе обжига.

К карбонатным породам относятся:

мел;
мергель (мергелистый известняк);
известняки, в том числе ракушечники;
породы доломитового типа.

Глинистые материалы – это осадочные горные породы. Обладая минеральной основой, они наделены пластичностью, а при избыточном увлажнении способны увеличиваться в объеме. Глинистые материалы используются при сухом методе изготовления.

К глинистым породам относятся:

глина;
суглинки;
сланцы на основе глины;
лесс.

Кроме сырья, при производстве цемента используют корректирующие добавки.

Их получают из ископаемых, в состав которых входят:

апатиты;
глинозем;
плавиковый шпат;
кремнезем.

Вводимые по определенной технологии добавки улучшают качество описываемого материала.

Состав цемента зависит от требуемых характеристик, которые определяет присвоенная материалу марка.

Самый популярный портландцемент состоит из:

60% извести;
25% кремниевого диоксида;
10% оксидов железа и гипса;
5% алюминия (глинозема).

В различных марках процентное соотношение исходных материалов отличается, как и сам состав. К примеру, шлакопортландцемент имеет в своем составе шлак. Количественные пропорции могут меняться и с особенностями выбранной технологии изготовления строительного материала.

Для любых марок цемента и при любых способах его получения неизменными составляющим остаются известняк и глина. Причем известняка всегда втрое больше глины. Такое соотношение способствует получению качественного клинкера, из которого и делают цемент.

В промышленности для выпуска цемента используют следующие компоненты:

клинкер;
гипс;
специальные добавки.

Клинкер – самая весомая составляющая цемента. Он определяет прочностные качества конечного материала. Клинкер вступает в процесс производства в виде гранул. Диаметр гранул варьируется в пределах 10-60 мм. Термообработка составляющей производится при температуре около полутора тысяч градусов.

Количество гипса определяется установленным периодом твердения. В базовом варианте гипс в виде порошка входит в цемент в объеме 6%.

Исходные материалы для приготовления

Размещение производства цемента стараются планировать рядом с основными запасами сырья. Сырьем являются природные горные породы, добываемые открытым способом. Итак, из чего производят цемент:

Карбонатные породы. К ним относят: мел; ракушечник и прочие известняки; доломит; мергель. В промышленном производстве в основном применяются известняковые породы. Данный материал позволяет повысить эффективность взаимодействия в процессе обжига.
Глинистые породы. К ним относят: глину; глинистые сланцы; суглинки; лесс. Данный материал необходим для обретения пластичности смеси и используется в основном при изготовлении цемента сухим способом.
Добавки. Для получения определенных качеств цементного раствора, необходимо к основному составу добавлять вещества, которые способны корректировать свойства материала. К добавкам относят: глинозем; кремнезем; плавиковый шпат; апатиты.

Добавки в цемент.

Особенности

При смешивании с водой этот популярный материал порошкового вида твердеет, превращаясь в окаменевшую глыбу. Отвердевание происходит при излишней влажности воздушной среды или наличии жидкости

Присутствие воды – важное условие затвердевания готового продукта

В зависимости от состава выделяют несколько видов цемента. Каждый из них обладает свойственной только ему степенью твердости, по ней и определяется марка, качество продукции. Цемент, который сделан из горных пород, достаточно надежен. Его изготавливают только из качественных материалов.

Портландцемент – самый широко используемый вид минерального состава, который также называют силикатным. Он затвердевает в водной среде и в соседстве с влажным воздухом. Порошкообразное вещество серо-зеленого цвета легко растворяется в воде при замешивании. Как только смесь начинает схватываться, начинается медленное отвердевание.

Портландцемент входит в рецептуру практически всех групп цементных смесей. Применение этой марки в чистом виде – очень редкое явление. В основном, он входит в состав смесей, строительных бетонов, растворов.

Пластифицированный цемент обладает большими преимуществами перед другими видами. Его применение помогает понизить траты и время на замешивание сухой смеси. Состав не подвергается воздействию низких температур, излишней влажности, испарению и прочим негативным влияниям внешней среды.

Шлаковый цемент в составе имеет доменный шлак и измельченный клинкер. В эту марку внесены дополнительные вещества в виде известкового порошка и гипса. Такой цемент необходим при соединении строительных смесей.

Глиноземистый высокоактивный цемент имеет уникальный состав. Время до начала затвердевания – всего 45 минут. А до полного застывания раствора необходимо около 10 часов. Основное преимущество этого состава перед другими состоит в том, что независимо от насыщенности воздуха влагой, он быстро схватывается. При добавлении этого типа цемента в бетон в нем проявляются новые качественные признаки: устойчивость перед сыростью, коррозией, большими перепадами температур.

Основными составляющими цементного состава кислотоупорного типа являются кремнефтористый натрий и кварцевый песок. В обыкновенной воде раствор из такого вещества не получить. Для приготовления смеси из этого порошка применяется жидкое стекло, в основе которого использован натрий. Плюсы кислотоупорного цемента в том, что он очень устойчив к минеральным и органическим кислотам. Но при их наличии и применении срок эксплуатации снижается очень быстро.

Цветной цемент в составе имеет простой портландцемент, в который добавлены пигменты. Используется данная марка для декорирования зданий и является частью составов, которые применяются при строительстве шоссе на основе бетонных смесей. При смешивании с водой портландцемент образует материал пластичной структуры. В процессе высыхания он превращается в камень.

Плюсы такого вещества:

затвердевание без посторонних усилий;
высокопрочное и твердое вещество, получаемое после затвердения;
повышенная химическая безопасность;
это экологически чистый продукт;
пожаробезопасность;
низкая стоимость;
универсальность.

Белый цемент – это порошок, который приобретает свой светлый цвет при специализированной технологии выработки и определенном составе. В его рецептуре имеется клинкер с малым содержанием железа, содержатся минеральные добавки известняка, хлористых соединений, гипса. Такой состав придает смеси светлые оттенки.

Расшифровка маркировки цемента по новым нормативам

Кодирование информации о продукции по ГОСТ 31108-2003 основано на разделении видов цемента на 5 групп, обозначаемых римскими цифрами. Первые 3 буквы взяты из названия порошка — ЦЕМ.

У каждого объединения есть признаки, указывающие на особенности изготовления:

I — портландцемент бездобавочный, состоит на 95-100% из цементного клинкера;
II — эта группа подразделяется на подклассы А с добавками 6-20% и В — 21-35%. Здесь же находятся пуццолановые цементы, содержащие
III — шлакопортландцемент при содержании шлаков 36-65%;
IV — пуццолановый цемент с добавкой 21-35%;
V — композиционный порошок, включающий в состав 11-30% шлака и в тех же пределах пуццолан.

У каждой из присадок в обозначении своя буква: И — известняк, З — зола уноса, МК — микрокремнезем, К — композитная добавка, Г — глиеж, Ш — шлак, П — пуццолан. После следует цифра класса прочности, за ней буквы: Н — нормальное время твердения, Б — быстрое схватывание. Пример: шлакопортландцемент ЦЕМ III/А 32,5Н ГОСТ 31108-2003. Расшифровывается так: прочность цемента 32,5 МПа, он нормально-твердеющий, содержит 36-65% шлака.

Как готовят цемент на производстве

Основными веществами, из которых производят цемент, являются известняк и глина. Из этих двух составляющих специальным образом готовят клинкер, который впоследствии смешивается с прочими добавками, определяющими качество, марку и свойства раствора. Среди обязательных добавок присутствуют: гипс, доломит, цементит.

Этапы производства цемента.

В природе имеется клинкер в чистом виде — мергель, но из-за небольших запасов этого минерала, использовать его в промышленных масштабах не получается, поэтому отечественные и зарубежные производители готовят клинкер из традиционных материалов.

Мергель.

Производство цемента разбито на следующие этапы:

Для подготовки клинкера необходимо тщательно смешать ингредиенты в специальных барабанах большой емкости.
На следующем этапе подготовленная масса поступает в печь, где происходит обжиг в течение 3-4 часов при температуре близкой к полутора тысячам градусов. В результате образуется клинкер в виде небольших фракций (до 5 см в диаметре).

Обжиг шлама.

Далее, полученные зерна клинкера измельчают в барабанах с использованием шаровых грохотов. В процессе обработки материала необходимо добиться порошкообразного состояния смеси.
На заключительном этапе в готовый цемент добавляют необходимые присадки и отправляют на расфасовку по мешкам или хопрам.

Существует три способа изготовления цемента. Они различаются приемами обработки клинкера.

Мокрый способ. Выработка клинкера производится с использованием воды, мела и глины. В результате смешивания веществ в барабане образуется влажная масса – шихта. Ее отправляют на обжиг, после чего полученные гранулы измельчают и смешивают с необходимыми добавками. Данный метод считается довольно затратным, поэтому в настоящее время чаще используют другие способы.
Сухой способ. Позволяет сократить этап смешивания готовой смеси с добавками, так как весь процесс сводится к подготовке, дроблению и смешиванию уже готовых ингредиентов. Данная технология становится все более популярной, так как позволяет существенно сократить затраты на производство и конечную цену продукта.
Комбинированный способ. В данной технологии используются различные формы производства клинкера, сочетающие в себе этапы производства, применяемые при сухом и мокром способах.

Как делают цемент на производстве

На сегодня существует несколько способов производства:

Мокрый метод – первая технология, по которой стали изготавливать цемент. По ней работают и по сей день, правда, немного по усовершенствованной методике. Сухой способ – более современный метод производства вяжущего, отличающийся большей экономностью сырья и энергетических ресурсов

Но, что самое важное, именно по этой технологии выбросы в атмосферу сокращаются. Комбинированные методики в России используются редко, в основном на предприятиях, работающих с зарубежными партнёрами. Например, как Вольский цементный завод.

Осветить более подробно, всё же, хотелось именно мокрый метод производства цемента, так как по нему работают практические все цементные заводы в России и странах СНГ. На фото ниже представлены производственные мощности «Уралцемента» в Челябинской области, который начал свою работу 1957 году. Здесь вяжущее производят на основе известняка и глины по мокрому методу. В качестве топлива используют газ.Начинается производство в карьере с добычи основного сырья.

Добыча известняка и глиныКарьер известняка

Далее добытое сырье дополнительно обрабатывается и поступает в печь мокрого измельчения, где превращается в шлам. После чего шлам идёт дальше в сырьевые мельницы и шлам бассейны.

Обработка сырья

Полученный тонкодисперстный шлам отправляется во вращающуюся печь, где обжигается при температуре +1450°C. Результат этого процесса – клинкер.

Обжиг шламаКонтроль обжига

Получаемый клинкер охлаждается в специальных холодильных установках, после чего транспортируется для дальнейшего измельчения в мельнице.

Транспортировка клинкера

Мельница для клинкера

К измельчённому клинкеру добавляют также тонкодисперстный гипс и минеральные добавки.

Процесс смешивания ингредиентов

Готовый цемент отправляют на хранение в специальные бункера.

Бункера

На таком крупном производственном предприятии просто не может быть лаборатории, сотрудники которой пристально следят за каждым производственным процессом и качеством цемента.

Тестирование цемента

Это основные производственные процессы по мокрой технологии. На всех заводах они идентичны. Единственное, делаются правки на сырьевые компоненты и специфику оборудования. Из чего и как делают цемент подробно расскажут видео.

Watch this video on YouTube

Обработка известняка

Схема завода по производству цемента
На заводе по производству цемента, породу выгружают в аппарат для первичного дробления камней. Большие валуны под воздействием давящей силы в несколько тонн, постепенно измельчаются до размеров теннисного мяча и поступают на конвейер. Мелкие и крупные камни направляются на вторичное дробление, где они уменьшаются до размеров мячика для гольфа и в мелкий порошок. Известняк, с разным процентом содержания углекислого кальция, обрабатывается отдельно.

Схема линии по измельчению и сушке известняка: 1 – питатель ленточный ПЛ-650; 2 – магнитный сепаратор; 3 – сушильный комплекс; 4 – элеватор; 5 – расходный бункер с шиберной головкой; 6 – питатель ленточный ПЛ‑500; 7 – мельница МЦВ-3; 8 – мельница роторно-струйная МРС-2/770; 9 – циклон-бункер ЦБ-4,5; 10 – пылеуловитель II ПЦ‑2,0 с бункером; 11 – фильтр рукавный ФРИ-60; 12 – питатель секторный ПС-1В; 13 – вентилятор ВВД; 14 – вентилятор среднего давления; 15 – шиберные заслонки; 16 – компрессор.

Это необходимо для дальнейшего их смешивания в разных пропорциях и по определенной технологии, чтобы производить цемент разных марок.

Как делают цемент

Технология изготовления заключается в получении и последующем измельчении клинкера. Так называются гранулы, которые являются промежуточным продуктом производства. Их состав всегда неизменен. Это известняк и глина, смешанные в пропорции 3:1. В природе существует минерал, полностью идентичный по составу клинкеру. Он называется мергель. Однако его запасы ограничены и не могут обеспечить потребность производства.

Поэтому на заводах используется искусственный аналог мергеля. Для его получения необходимые ингредиенты тщательно смешиваются в больших емкостях специальными барабанами. Подготовленная таким образом масса подается в печи, где обжигается около четырех часов. Температура процесса составляет порядка 1500оС. В таких условиях порошок начинает спекаться в небольшие гранулы. После остывания клинкерные зерна направляются на помол. Их измельчают в больших барабанах с шаровыми ситами грохотами

На этом этапе важно размолоть гранулы и получить порошкообразный продукт определенных размеров. Помол определяется размерами ячеек сита

Полученный порошок смешивается с необходимыми добавками, которые определяют марку и свойства продукта.

Instagram tsement_82

Готовые цементные материалы поступают на хранение или на участок расфасовки, где распределяются в тару различной вместимости либо загружаются в специальные автомобили-цементовозы.

Несмотря на общую технологию, для производства состава в зависимости от свойств сырья могут использоваться три способа.

Сухой способ

Этот метод позволяет значительно сократить время и затраты на изготовление цементной смеси. Он предполагает несколько этапов:

Сырье дробится до получения зерен мелкой фракции.
Подготовленные гранулы сушатся до достижения нужной влажности. Это делается, чтобы облегчить последующие операции.
Ингредиенты смешивают в определенных пропорциях. После чего измельчают, получая муку.
Порошок подается во вращающуюся печь, где обжигается, но не спекается в гранулы.

После остывания готовый продукт направляется на склад или на участок фасовки.

Сухой способ считается наименее энергозатратным, а потому очень выгоден для производителей. К сожалению, он применим не для всех категорий сырья.

Мокрый способ

В некоторых случаях необходимо увлажнение подготовленного к производству материала. В таких случаях используется мокрый способ. Для приготовления клинкера, который состоит из известняка и глины, замешивается смесь из основных компонентов с добавлением воды. В результате получается вязкая масса, которую называют шламом.

Ее закладывают в печь, где происходит обжиг. В этом процессе из шлама формируются гранулы, которые после остывания отправляются на измельчение.

Instagram tabys.cement

Полученный из клинкера порошок смешивается с размолотыми добавками. Только после этого продукт готов к расфасовке и складированию. Произведенный по такой технологии состав имеют самую высокую себестоимость.

Комбинированный способ

Применяется для снижения стоимости готовой продукции. Представляет собой своеобразный симбиоз сухой и мокрой технологии. Изначально замешивается шлам, который впоследствии обезвоживается. Таким образом делают клинкер. Он поступает в печь, работающую по «сухой» технологии. Далее при необходимости проводится смешивание с наполнителями, и продукт готов. Более подробно процесс показан на видео.

Качество цемента во многом зависит от сырья, из которого он произведен, и точности соблюдения всех технологических этапов

Учитывая, что характеристики изготовленных из него строительных материалов определяются качеством смеси, стоит обратить на нее самое пристальное внимание

Корректирующие добавки

Помимо перечисленных компонентов, которые составляют основу цементной смеси, туда вводят ряд специальных добавок — пластификаторов. Базой для их изготовления тоже служат ископаемые:

апатиты;
глина;
кремнезем;
глинозем;
плавиковый шпат.

Сухие пластификаторы добавляют в цемент на этапе его изготовления. Существуют жидкие добавки, которые применяют для замешивания на строительных площадках. Делают это для того, чтобы улучшить качество материала, придать ему дополнительные свойства:

устойчивость к разрушению и коррозии;
сохранение прочности при перепадах температуры, при замораживании и оттаивании;
повышенную прочность;
увеличенный срок схватывания;
текучесть и пластичность раствора;
водонепроницаемость.

Покупка цементных смесей на развес — это риск приобретения некачественного товара. Поэтому для стройки или ремонтных работ лучше брать материал в заводской упаковке, с указанием производителя, марки, даты изготовления. Старый цемент теряет свои качества и не позволит получить прочный монолит.

Основные характеристики

На какие свойства цемента стоит обратить внимание в первую очередь:

прочность цемента, как и бетона, – важнейший показатель, который является определяющим при выборе сырья для строительства. Этот параметр тестируется исходя из максимальной нагрузки, которую может выдержать цементная балка;

Обычно о прочности можно узнать по маркировке блока. Обычно используются такие обозначения: М400 или М500. Выпускаются вяжущие вариации цемента от М300 до М800.

Проверка цементного блока на прочность

активность при пропаривании – ещё одна немаловажная характеристика, показывающая, насколько активно гудронирует вяжущий состав. От этого показателя напрямую зависит прочность вяжущего компонента и время теповлажностной обработки. Существует 3 группы по пропариванию. Первая – самая лучшая и эффективная;

Пропаривание образцов

Это две самые важные характеристики вяжущего вещества, применяемого в любой сфере строительства. Поэтому с каждой новой партии, даже если есть на руках паспорт качества, проводятся тестирования таких свойств. На основании полученных данных выполняется корректировка состава.

сроки схватывания – время, когда начинает схватываться цементный состав. Обычно оно составляет от 45 минут до 10 часов. Чем выше температура, тем быстрее наступает схватывание;

Прибор Вика для определения сроков схватывания

насыпная плотность – в рыхлом состоянии она равна примерно 900−1100 кг/см3, в уплотнённом – 1400−1700 кг/см3, истинное это значение − 3000−3100 кг/см3;
водопотребность – необходимое количество воды для гидратации цемента и создания пластичности теста. Как правило, берётся примерно 17% воды от массы цемента, необходимой для гидратации. Но бывает, что такой показатель увеличивают из-за того, что водопотребность самого цемента выше.

Насколько качественно вяжущее свойство получилось, тестируют ещё в заводских лабораториях и на основании подобных испытаний выдают паспорт качества, из которого мы и узнаем все характеристики. Но его получаем только через месяц, так как паспорт выдаётся на основании испытаний образцов в 28-суточном возрасте. Поэтому каждую новую партию независимо тестируют в лаборатории, чтобы узнать, насколько он качественный. Последнее же зависит от состава самого вяжущего материала.

Область применения

Область применения цемента напрямую зависит от его свойств и характеристик. В СНиПах и ГОСТах указаны все правила и особенности применения разных марок цемента с определенными техническими характеристиками в строительстве зданий, производстве изделий и т.д. Также влияют на выбор цемента условия его применения, поставленные задачи, особенности эксплуатации.

Где применяют цемент:

Проведение общестроительных работ
– от строительства хозпостроек и малоэтажных домов до заливки многоэтажных зданий, в сборных и монолитных фундаментах и перекрытиях, заливке полов, стен. Применяется цемент также для замеса кладочного, штукатурного раствора.

Дорожно-промышленное строительство
– возведение взлетно-посадочных полос, мостов, гидротехнических конструкций, несущих частей многоэтажных зданий.
Добывающая промышленность
– укрепление технических сооружений, тампонирование газовых/нефтяных скважин.
Сооружения, эксплуатируемые в сложных и агрессивных условиях
– при повышенных сульфатах, в кислотах, где наблюдается частое замораживание/оттаивание.

Как сделать цемент в домашних условиях

Несмотря на сложный процесс производства, сделать цемент можно и своими руками. Конечно, не по классической технологии с мельчащим дроблением клинкера и обжигом при высоких температурах. Рассмотрим один из популярных рецептов:

Получаемый состав применяется для заделки щелей и прочих несовершенств в полах и стяжках.
Потребуется водная известь, каменная зола и обычная вода. Всё в равных пропорциях.
Все ингредиенты смешиваются до получения консистенции сметаны. В таком виде подобный «цемент» и используется.

Только не стоит делать его слишком много – подобный состав быстро сохнет.

Ещё один популярный рецепт на основе глицерина. Распространённость он получил из-за хорошей прочности:

Свинцовый глёт растирается до максимально тонкого состояния и высушивается в печи любого типа под действием высоких температур.
В полученный «клинкер» добавляется глицерин.
Домашний цемент, изготовленный таким способом, больше всего напоминает магазинный аналог.

Как приготовить цементный раствор из творога

Творожный цемент

Никогда не задумывались, как получают цемент из творога? Оказывается, и такой цемент есть. Как создать такую смесь? Очень просто:

Тонким слоем высушивается творог из снятого молока без сыворотки. Получится своеобразный порошок – 1 часть.
Потребуется также едкая известь – 10 частей.
Подобные ингредиенты смешиваются, и в них добавляется вода. Всё перемешивается и доводится до кашицеобразного состояния.

Цемент по нетрадиционной технологии

Нетрадиционный метод создания цемента популярен в Китае. В качестве одного из основных ингредиентов используется свиная кровь. Несмотря на то, что морально-этическая сторона этого вопроса вызывает много споров, с точки зрения крепости и прочности, такой материал вопросов не вызывает.

Итак, особые ингредиенты китайских мастеров:

квасцы в порошке – 6 частей;
свиная кровь свежая – 40 частей;
гашённая известь-пушонка – 54 части.

Все ингредиенты смешиваются до однородного состояния. Полученный состав обладает хорошей прочностью и адгезией, поэтому в последнее время он довольно популярен.

Термическая обработка

Печь для обжига

Порошок отправляют в печь, в которой под воздействием температуры 800°С, в каменной муке начинается процесс химического соединения минеральных компонентов. После проведения первой термической обработки, его отправляют в кальцинатор, где с помощью химической реакции, за несколько секунд убирают 95 – 97% двуокиси углерода и отделяют известь. Далее смесь отправляют в вращающуюся цилиндрическую печь, в которой ее медленно перемешивают под воздействием температуры в 1500 – 1800°С.

При длительном воздействии высокой температуры, порошок превращается в стекловидные образования под названием «клинкеры». По выходу из печи клинкеры охлаждают до 60 – 80°С, отправляют в накопитель и далее на дробление.