Цемент

редактировать
Гидравлическое вяжущее, используемое в составе раствора и бетона

Цементный порошок, кондиционированный в мешке, готовый к смешиванию с заполнителями и вода. Во избежание проблем со здоровьем следует избегать распыления сухой цементной пыли в воздухе.

A цемент - это связующее, вещество, используемое в строительстве, которое схватывает, твердеет и прилипает к другим материалам, чтобы связать их вместе. Цемент редко используется сам по себе, а скорее используется для связывания песка и гравия (заполнитель ) вместе. Цемент, смешанный с мелким заполнителем, дает строительный раствор для кирпичной кладки, или с песком и гравием дает бетон. Бетон является наиболее широко используемым существующим материалом и уступает только воде в качестве наиболее потребляемого ресурса на планете.

Цемент, используемый в строительстве, обычно неорганический, часто известь или на основе силиката кальция, который можно охарактеризовать как негидравлический или гидравлический соответственно, в зависимости от способности цемента схватываться в присутствии воды ( см. гидравлическая и негидравлическая известковая штукатурка ).

Негидравлический цемент не схватывается во влажных условиях или под водой. Скорее, он затвердевает при высыхании и вступает в реакцию с двуокисью углерода в воздухе. После схватывания он устойчив к воздействию химикатов.

Гидравлические цементы (например, портландцемент ) затвердевают и становятся адгезивом в результате химической реакции между сухими ингредиентами и водой. В результате химической реакции образуются минеральные гидраты, которые не очень растворимы в воде и поэтому достаточно устойчивы в воде и защищены от химического воздействия. Это позволяет схватываться 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).

Слово «цемент» восходит к римскому термину opus caementicium, который использовался для описания каменной кладки, напоминающей современный бетон., который был изготовлен из щебня с использованием негашеной извести в качестве связующего. Вулканический пепел и измельченный кирпич добавки, которые были добавлены к обожженной извести для получения a, позже стали называть цементом, циментом, цементом и цементом. В наше время органические полимеры иногда используются в качестве цемента для бетона.

Мировое производство составляет около 4 миллиардов тонн в год, из которых около половины производится в Китае. Если бы цементная промышленность была страной, она была бы третьим по величине источником выбросов углекислого газа в мире с объемом до 2,8 миллиарда тонн, уступая только Китаю и США. На начальную реакцию прокаливания при производстве цемента приходится около 4% глобальных выбросов CO. 2. На весь процесс приходится около 8% глобальных выбросов CO. 2, поскольку цементная печь, в которой происходит реакция, обычно работает на угле или нефтяном коксе. из-за светового пламени, необходимого для нагрева печи за счет лучистой теплопередачи. В результате производство цемента является основным фактором изменения климата.

Содержание

  • 1 Химия
    • 1.1 Гидравлический цемент
    • 1.2 Негидравлический цемент
  • 2 История
    • 2.1 Альтернативы цементу, использовавшиеся в древности
    • 2.2 Греки и римляне
    • 2.3 Средние века
    • 2.4 16 век
    • 2,5 XVIII век
    • 2.6 XIX век
    • 2.7 XX век
  • 3 Современные цементы
    • 3.1 Портландцемент
    • 3.2 Смесь портландцемента
    • 3.3 Другие цементы
  • 4 Отверждение, твердение и отверждение
  • 5 Вопросы безопасности
  • 6 Цементная промышленность в мире
    • 6.1 Китай
  • 7 Воздействие на окружающую среду
    • 7.1 CO 2 Выбросы
    • 7.2 Выбросы тяжелых металлов в атмосферу
    • 7.3 Тяжелые металлы, присутствующие в клинкере
    • 7.4 Использование альтернативных видов топлива и побочных продуктов
  • 8 Экологический цемент
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дополнительная литература
  • 12 Внешние ссылки

Химия

Цементные материалы можно разделить на две отдельные категории: гидравлические цементы и гидравлические цементы ac в соответствии с их соответствующими механизмами настройки и упрочнения. При схватывании и затвердевании гидравлических цементов происходит реакция гидратации, поэтому для них требуется вода, в то время как негидравлические цементы реагируют только с газом и могут затвердевать непосредственно на воздухе.

Гидравлический цемент

Клинкер конкреции, полученные спеканием при 1450 ° C.

Наиболее распространенным типом цемента является гидравлический цемент, который затвердевает при гидратации клинкер минералы при добавлении воды. Гидравлические цементы (такие как портландцемент ) состоят из смеси силикатов и оксидов, четырех основных минеральных фаз клинкера, сокращенно в обозначении химика цемента, а именно:

C3S: Алит (3CaO · SiO 2);
C2S: Белит (2CaO · SiO 2);
C3A: алюминат трикальция (3CaO · Al 2O3) (исторически, а иногда и сейчас, называется целитом);
C4AF: Браунмиллерит (4CaO · Al 2O3· Fe 2O3).

Силикаты отвечают за механические свойства цемента - трехкальциевый алюминат и браунмиллерит важен для образования жидкой фазы в процессе спекания (обжига ) клинкера при высокой температуре в печи. Химия этих реакций не до конца ясен и до сих пор является объектом исследования.

Сначала известняк (карбонат кальция) сжигается для удаления углерода, образуя известь (оксид кальция) в так называемой реакции прокаливания. Эта единственная химическая реакция является основным источником глобальных выбросов диоксида углерода.

CaCO 3 → CaO + CO 2

Известь реагирует с диоксидом кремния с образованием силиката дикальция и силиката трикальция.

2CaO + SiO 2 → 2CaO.SiO 2
3CaO + SiO 2 → 3CaO.SiO 2

Известь также взаимодействует с оксидом алюминия с образованием трехкальциевого алюмината.

3CaO + Al 2O3→ 3CaO.Al 2O3

На последней стадии оксид кальция, оксид алюминия и оксид железа взаимодействуют вместе с образованием цемента.

4CaO + Al 2O3+ Fe 2O3→ 4CaO.Al 2O3.Fe 2O3

Негидравлический цемент

Оксид кальция, полученный термическим разложением карбонат кальция при высокой температуре (выше 825 ° C).

Менее распространенной формой цемента является негидравлический цемент, например гашеная известь (оксид кальция, смешанный с водой), затвердевает в результате карбонизации при контакте с диоксидом углерода, который присутствует в воздухе (~ 412 об. Ppm 0,04 об.%). Первый оксид кальция (известь) получают из карбоната кальция (известняк или мел ) путем прокаливания при температурах выше 825 ° C (1517 ° F) в течение примерно 10 часов при атмосферном давлении :

CaCO 3 → CaO + CO 2

Затем оксид кальция расходуется (гашится), смешивая его с водой для получения гашеной извести (гидроксид кальция ):

CaO + H 2 O → Ca (OH) 2

После полного испарения избыточной воды (этот процесс технически называется настройки) начинается карбонизация:

Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2O

Эта реакция протекает медленно, потому что парциальное давление двуокиси углерода в воздухе низкое (~ 0,4 миллибар). Реакция карбонизации требует, чтобы сухой цемент подвергался воздействию воздуха, поэтому гашеная известь не является гидравлическим цементом и не может использоваться под водой. Этот процесс называется известковым циклом.

История

Возможно, самое раннее известное появление цемента датируется двенадцатью миллионами лет назад. Залежь цемента образовалась после залегания горючего сланца, расположенного рядом со слоем известняка, сгоревшего по естественным причинам. Эти древние месторождения были исследованы в 1960-х и 1970-х годах.

Альтернативы цементу, использовавшемуся в древности

Цемент, говоря химически, представляет собой продукт, содержащий известь в качестве основного связующего. ингредиент, но это далеко не первый материал, используемый для цементирования. вавилоняне и ассирийцы использовали битум для скрепления обожженных кирпичей или алебастровых плит. В Египте каменные блоки цементируются вместе с раствором из песка и грубо обожженного гипса (CaSO 4 · 2H 2 O), который часто содержал карбонат кальция (использовался CaCO 3).

у греков и римлян

известь (оксид кальция ) на Крите и древними греками. Имеются свидетельства того, что минойцы Крита использовали измельченный глиняный череп в качестве искусственного пуццолана для гидравлического цемента. Никто не знает, кто первым открыл что комбинация гидратированной негидравлической извести и пуццолана дает гидравлическую смесь (см. также: Пуццолановая реакция ), но такой бетон использовался Древние македонцы и три столетия спустя в больших масштабах римскими инженерами.

Существует... вид порошка, который естественным образом дает поразительные результаты. Его находят поблизости от Байи и в стране, принадлежащей городам около горы Везувий. Очевидно, что смешивание с известью и щебнем не только придает прочности зданиям других типов, но даже когда их опоры сооружаются в море, они затвердевают под водой.

Марк Витрувий Поллион, Liber II, De Architectura, Глава VI «Пуццолана» гл. 1

Греки использовали вулканический туф с острова Тера в качестве пуццолана, а римляне использовали измельченный вулканический пепел (активированные силикаты алюминия ) с известью. Эта смесь могла схватываться под водой, увеличивая ее сопротивление. Материал получил название пуццолана из города Поццуоли, к западу от Неаполя, где добывался вулканический пепел. Из-за отсутствия пуццоланового пепла римляне использовали порошкообразный кирпич или глиняную посуду в качестве заменителя, и они, возможно, использовали для этой цели измельченную плитку, прежде чем открыли природные источники недалеко от Рима. Огромный купол Пантеона в Риме и массивные Термы Каракаллы являются примерами древних сооружений, сделанных из этих бетонов, многие из которых которые все еще стоят. В обширной системе римских акведуков также широко использовался гидравлический цемент. Римский бетон редко использовался снаружи зданий. Обычной техникой было использование кирпичного облицовочного материала в качестве опалубки для заполнения раствором, смешанным с заполнителем осколков камня, кирпича, черепки, переработанные куски бетона или другой строительный мусор.

Средневековье

Сохранение этих знаний в литературе Средневековья неизвестно, но средневековые каменщики и некоторые военные инженеры активно использовали гидроцемент в таких сооружениях, как каналы, крепости, гавани и судостроительные объекты. Смесь известкового раствора и заполнителя с кирпичным или каменным облицовочным материалом использовалась в Восточной Римской империи, а также на Западе в готический период. Немецкий Рейнланд продолжал использовать гидравлический миномет на протяжении всего средневековья, имея местные месторождения пуццоланы, называемые трасс.

16 век

Табби - строительный материал, сделанный из устрицы. -оболочек извести, песка и целых раковин устриц для образования бетона. Испанцы представили его в Америке в XVI веке.

XVIII век

Технические знания о производстве гидравлического цемента были формализованы французскими и британскими инженерами в XVIII веке.

Джон Смитон. внес важный вклад в разработку цемента при планировании строительства третьего маяка Эддистоун (1755–1759 гг.) В Ла-Манше, ныне известном как Башня Смитона.. Ему нужен был гидравлический миномет, который застывал бы и развивал некоторую прочность за двенадцать часов между последовательными приливами приливами. Он провел эксперименты с комбинациями различных известняков и добавок, включая трассу и пуццоланы, и провел исчерпывающее исследование рынка доступной гидравлической извести, посетив их производственные площадки, и отметил, что «гидравлическая способность» известь напрямую связана с содержанием глины в известняке, использованном для ее изготовления. Смитон был инженером-строителем по профессии и не пошел дальше.

На южноатлантическом побережье Соединенных Штатов полосатый полагается на устричные раковины куски более ранних коренных американцев населения использовалось в строительстве домов с 1730-х по 1860-е годы.

В Британии в частности, строительный камень хорошего качества становился все дороже в период быстрого роста, и он стал Обычная практика - возводить престижные здания из нового промышленного кирпича и отделывать их штукатуркой, имитирующей камень. Для этого предпочитали гидравлическую известь, но необходимость быстрого схватывания подтолкнула к разработке новых цементов. Самым известным был «Римский цемент » Паркера. Он был разработан Джеймсом Паркером в 1780-х годах и, наконец, запатентован в 1796 году. Фактически, это не было ничего похожего на материал, использованный римлянами, но представлял собой «натуральный цемент», полученный путем сжигания септария. - конкреции, обнаруженные в некоторых глинистых отложениях и содержащие как глинистые минералы, так и карбонат кальция. Обгоревшие узелки измельчали ​​до мелкого порошка. Этот продукт, превращенный в ступку с песком, схватывается за 5–15 минут. Успех «римского цемента» побудил других производителей разрабатывать конкурирующие продукты путем сжигания искусственной гидравлической извести цементов из глины и мела. Римский цемент быстро стал популярным, но в 1850-х годах его в значительной степени заменил портландцемент.

XIX век

Очевидно, не подозревая о работе Смитона, то же самое Принцип был определен французом Луи Вика в первом десятилетии девятнадцатого века. Вика продолжал изобретать метод соединения мела и глины в однородную смесь и, сжигая ее, произвел «искусственный цемент» в 1817 году, считающийся «главным предшественником» портландцемента и «... Эдгара Доббса из Саутварк запатентовал такой цемент в 1811 году. «

В России создали новое вяжущее путем смешивания извести и глины. Его результаты были опубликованы в 1822 году в его книге «Трактат об искусстве приготовления хорошего раствора», опубликованной в St. Петербург. Несколько лет спустя, в 1825 году, он опубликовал еще одну книгу, в которой описал различные методы изготовления цемента и бетона, а также преимущества цемента при строительстве зданий и насыпей.

Уильям Аспдин считается изобретателем «современного «портландцемент.

портландцемент, наиболее распространенный тип цемента, широко используемый во всем мире в качестве основного ингредиента бетона, строительного раствора, штукатурка и неспециализированная затирка были разработаны в Англии в середине 19 века и обычно происходят из известняка. Джеймс Фрост производил то, что он называл «британским цементом», аналогичным образом примерно в то же время, но не получил патента до 1822 года. В 1824 году Джозеф Аспдин запатентовал аналогичный материал, который он назвал портландцементом, потому что штукатурка, сделанная из него, была по цвету подобна престижному портлендскому камню, добытому на острове Портленд, Дорсет, Англия. Однако цемент Аспдинса не был похож на современный портландцемент, а был первым шагом в его разработке, так называемым протопортландцементом. Сын Джозефа Аспдинса Уильям Аспдин покинул компанию своего отца и, по-видимому, случайно произвел силикаты кальция в 1840-х годах, что было средней ступенью в развитии портландцемента. Нововведение Уильяма Аспдина было нелогичным для производителей «искусственных цементов», потому что им требовалось больше извести в смеси (проблема его отца), гораздо более высокая температура печи (и, следовательно, больше топлива), и в результате получился клинкер был очень твердым и быстро изнашивался жерновами, 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 открыло рынок для использования в бетоне. Использование бетона в строительстве быстро росло с 1850 года и вскоре стало основным применением цемента. Таким образом, портландцемент стал играть главную роль. Исаак Чарльз Джонсон усовершенствовал производство мезопортландцемента (средняя стадия разработки) и заявил, что он настоящий отец портландцемента.

Время схватывания и «ранняя прочность» важны характеристики цементов. Гидравлическая известь, «натуральные» и «искусственные» цементы зависят от содержания в них белита (2 CaO · SiO 2, сокращенно C 2 S). для развития прочности. Белит медленно набирает силу. Поскольку они были обожжены при температурах ниже 1250 ° C (2280 ° F), они не содержали алит (3 CaO · SiO 2, сокращенно C 3 S), который отвечает за раннюю прочность современных цементов. Первый цемент, который постоянно содержит алит, был изготовлен Уильямом Аспдином в начале 1840-х годов: это то, что мы сегодня называем «современным» портландцементом. Из-за таинственности, с которой Уильям Аспдин окружил свой продукт, другие (например, Вика и Джонсон) заявили о приоритете в этом изобретении, но недавний анализ его бетона и сырого цемента показал, что продукт Уильяма Аспдина был произведен на Northfleet, Kent был настоящим цементом на основе алита. Однако методы Аспдина были «практическим правилом»: Вика отвечает за установление химической основы этих цементов, а Джонсон установил важность спекания смеси в печи.

. в США первым широкомасштабным применением цемента был цемент Rosendale, природный цемент, добытый из массивного месторождения доломита, обнаруженного в начале 19 века около Rosendale, Нью-Йорк. Цемент Rosendale был чрезвычайно популярен для фундамента зданий (например, Статуя Свободы, Капитолия, Бруклинский мост ) и прокладки водопроводных труб.

Sorel цемент, или цемент на основе магнезии, был запатентован в 1867 году французом Станиславом Сорелем. Он был прочнее портландцемента, но его низкая водостойкость (выщелачивание) и коррозионные свойства (точечная коррозия из-за присутствия выщелачиваемых анионов хлорида и низкого pH (8,5–9,5) его поровая вода) ограничивало его использование в качестве железобетона для строительства зданий.

Следующим шагом вперед в производстве портландцемента было внедрение вращающейся печи, которая дала более прочный (подробнее алит, C 3 S, образованный при более высокой температуре, 1450 ° C), более гомогенная клинкерная смесь и способствовала непрерывному производственному процессу.

20 век

Национальная компания по продаже цементных акций нового завода Эфиопии в Дыре-Дава.

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

. В США после Первой мировой войны не менее месяца для цемента Rosendale сделали Он не пользуется популярностью при строительстве шоссе 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 Rosendale. Но в начале 1930-х годов строители обнаружили, что, хотя портландцемент схватывался быстрее, он не был таким прочным, особенно для шоссе - до такой степени, что некоторые штаты перестали строить шоссе и дороги с цементом. Бертрейн Х. Уэйт, инженер, чья компания помогла построить Акведук Катскилл в Нью-Йорке, был впечатлен долговечностью цемента Rosendale и придумал смесь цементов Rosendale и Portland, которые хорошо себя зарекомендовали. атрибуты обоих. Он был очень прочным и быстрее схватывался. Уэйт убедил комиссара автомобильных дорог Нью-Йорка построить экспериментальный участок шоссе около Нью-Палтц, штат Нью-Йорк, используя один мешок Rosendale на шесть мешков портландцемента. Это имело успех, и на протяжении десятилетий смесь цемента Rosendale-Portland использовалась в строительстве шоссе и мостов.

Цементные материалы использовались в качестве матрицы для иммобилизации ядерных отходов более полувека. Технологии цементирования отходов были разработаны и внедрены в промышленных масштабах во многих странах. Цементные отходы требуют тщательного отбора и проектирования, адаптированного к каждому конкретному типу отходов, чтобы удовлетворить строгим критериям приемлемости отходов для длительного хранения и захоронения.

Современные цементы

Разработка современной гидравлики началась с начало промышленной революции (около 1800 г.), обусловленное тремя основными потребностями:

  • Гидравлическая цементная штукатурка (штукатурка ) для отделки кирпичных зданий мокрым способом. климат
  • Гидравлические растворы для каменной кладки портовых сооружений и т. д., контактирующие с морской водой
  • Разработка прочных бетонов
Компоненты цемента:. Сравнение химических и физических характеристик
СвойствоПортландцементКремнистая летучая золаИзвестковая летучая золаШлаковый цементКремнеземистый дым
Содержание (%)SiO 221,9 52353585–97
Al2O36,9231812
Fe2O331161
CaO6352140< 1
MgO2,5
SO31,7
Удельная поверхность. (м / кг)37042042040015,000–. 30,000
Удельный вес3,152,382,652,942.22
Общее использование в бетонеПервичное вяжущееЗамена цементаЗамена цементаЗамена цементаУсилитель свойств

Современные цементы часто представляют собой портландцемент или смеси портландцемента, но в промышленности также используются другие цементы.

Портландцемент

Портландцемент, разновидность гидравлического цемента, на сегодняшний день является наиболее распространенным типом цемента для общего использования во всем мире. Этот цемент посредством нагревания известняка (карбоната кальция) с другими материалами (такими как глина ) до 1450 ° C (2640 ° F) в печи, в процессе, известном как прокаливание, которое высвобождает молекулу диоксида углерода из карбоната кальция с образованием оксида кальция или негашеной извести, которая химически соединяется с другими материалами в смеси для образования силикатов кальция и других вяжущих соединений. Полученное твердое вещество, называемое «клинкер», измельчается с небольшим гипса в порошок для получения обычного портландцемента, наиболее часто используемого типа цемента (часто называемого OPC). Портландцемент является основным ингредиентом бетона, раствор и международ неспециализированных растворов. Чаще всего портландцемент используется для изготовления бетона. Бетон - это композитный материал, состоящий из заполнителя (гравий и песок ), цемента и воды. В качестве строительного материала может быть отлит практически любой формы, а после затвердевания может быть конструктивным (несущим). Портландцемент может быть серым или белым.

Смесь портландцемента

Смеси портландцемента часто доступны в виде смесей для грунтовки от производителей цемента, но аналогичные составы часто также смешиваются из измельченных компонентов в бетонный завод.

портландцемент доменного шлака или доменный цемент (номенклатура ASTM C595 и EN 197-1 соответственно) содержит до 95% измельченного гранулированного доменного шлака, остальный портландцемент клинкер и немного гипса. Все композиции повышают предел прочности, но по мере увеличения прочности шлака начальная прочность увеличивается, в то время как сульфатостойкость увеличивается, а тепловыделение уменьшается. Используется как экономичная альтернатива портландским сульфатостойким и низкотемпературным цементам.

Зольный портландцемент содержит до 40% летучей золы по стандартам ASTM (ASTM C595) или 35% по стандартам EN (EN 197-1). Летучая зола пуццолановая, поэтому предел прочности сохраняется. Добавление летучей золы позволяет снизить содержание воды в бетоне, можно также сохранить раннюю прочность. Там, где доступна дешевая зола-унос хорошего качества, она может быть экономической альтернативой обычному портландцементу.

портланд-пуццолановый цемент] включает зольный цемент, поскольку летучая зола является цементом пуццоланом, но также включает цементы, изготовленные из других природных или искусственных пуццоланов. В странах, где имеется вулканический пепел (например, Италия, Чили, Мексика, Филиппины ), эти цементы часто наиболее распространенной формы использования. Максимальные коэффициенты замены обычно определяются как для портландцемента сольной пылью.

Портландцемент на основе дымчатого кремнезема . Добавление микрокремнезема может дать эксклюзивную прочность, и иногда производятся цементы, содержащие 5–20% микрокремнезема, причем 10% - это максимально допустимая добавка согласно EN 197-1. Однако микрокремнезем чаще добавляется к портландцементу в бетономешалке.

Кладочные цементы используются для приготовления кирпичных растворов и штукатурок, и их нельзя использовать в бетоне. Обычно они представляют собой сложные запатентованные составы, входящие в состав портлендский клинкер и ряд других ингредиентов, которые включают известняк, гашеную известь, воздухововлекающие вещества, замедлители схватывания, гидроизоляционные и красители. Они разработаны для создания рабочих растворов, которые позволяют проводить быструю и последовательную кладку. Тонкие разновидности цемента для каменной кладки в США - это пластиковые цементы и штукатурные цементы. Они предназначены для контролируемого соединения с кирпичными блоками.

Расширяющиеся цементы содержат, помимо портландского клинкера, расширяющиеся клинкеры (обычно сульфоалюминатные клинкеры) и предназначены для компенсации эффектов усадки при высыхании, которые обычно встречаются в гидравлических цементах. Из этого цемента можно изготавливать бетон для плит перекрытия (до 60 м²) без усадочных швов.

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

Цемент очень мелкого помола представляет собой цемент, смешанный с песком, шлаком или другими минералами пуццоланового типа, которые вместе с тонко измельчены. Такие цементы могут иметь те же физические характеристики, что и обычный цемент, но содержат на 50% меньше цемента, особенно из-за их увеличенной площади поверхности для химических реакций. Даже при интенсивном измельчении они потребляют на 50% меньше энергии (и, следовательно, меньше углерода углерода) для производства, чем обычные портландцементы.

Другие цементы

Пуццолановые цементы представляют собой смеси измельченных пуццолан и известь. Этот цемент, который использовали римляне, он присутствует в сохранившихся римских постройках, таких как Пантеон в Риме. Они медленно развивают силу, но их предел прочности может быть очень высоким. Продукты гидратации, обеспечивающие прочность, по сути такие же, как и в портландцементе.

Шлако-известные цементы - измельченный гранулированный доменный шлак сам по себе не является гидравлическим, а «активируется» добавлением щелочей, наиболее экономично с использованием извести. По своим свойствам они похожи на пуццолановые известковые цементы. Только гранулированный шлак (т.е. закаленный водой стекловидный шлак) эффективен в качестве цементного компонента.

Суперсульфатированные цементы содержат около 80% измельченного гранулированного доменного шлака, 15% гипса или ангидрита и немного портландского клинкера или извести в качестве активатора. Они обеспечивают прочность за счет образования эттрингита, с прочности, аналогичным медленному портландцементу. Они хорошей устойчивостью к агрессивным агентам, в том числе сульфатам. Цементы на основе алюмината кальция предоставляют собой гидравлические цементы, изготовленные в основном из известняка и боксита. Активными ингредиентами являются алюминат монокальция CaAl 2O4(CaO · Al 2O3или CA в обозначении химика цемента, CCN) и майенит Ca12Al14O33(12 CaO · 7 Al 2O3, или C 12A7в CCN). Прочность образует 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 производятся из клинкеров, ин йе'элимит (Ca 4 (AlO 2)6SO4или C 4A3S в обозначение ) в первичной фазе. Они используются в расширяющихся цементах, в цементах сверхвысокой ранней прочности и в цементах с низким энергопотреблением. Гидратация дает эттрингит и особые физические свойства (такие как расширение или быстрая реакция). Кальция и сульфата. Их использование в качестве низкоэнергетической альтернативы портландцементу впервые было начато в Китае, где происходит несколько миллионов тонн в год, Потребности в энергии ниже из-за более низких требуемых температурных печей для реакций, и меньшее количество известняка (должно быть подвергнуто эндотермической печи для реакции. снижение расхода топлива до выброса CO 2 в смеси. клинкера.. Однако выбросы SO 2 обычно значительны. у выше.

«Натуральные» цементы, некоторым цементам допортлендской эпохи, получают путем обжига глинистых известняков при умеренных температурах. Уровень глинистых компонентов в известняке (около 30–35%) таков, что большие количества белита (минерал с низкой и высокой прочностью в портландцементе) образуются без образования чрезмерное количество свободного извести. Как и любой природный материал, такие цементы обладают очень разными свойствами.

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

Полимерные цементы полимеризуемые органические химические вещества. Производители используют термореактивные материалы. Хотя они часто значительно дороже, они могут дать водостойкий материал, который имеет полезную прочность на разрыв.

Цемент Sorel - твердый, прочный цемент, полученный путем объединения оксида магния и раствора хлорида магния

Отверждение, твердение и отверждение

Цемент начинает схватываться при смешивании с водой, который вызывает серию химических реакций гидратации. Компоненты медленно гидратируются, а гидраты минералов затвердевают. Сцепление гидратов придает цементу прочность. Вопреки распространенному мнению, гидравлический цемент не затвердевает при высыхании - для правильного отверждения необходимо поддерживать соответствующее содержание влаги, необходимое для реакций гидратации во время схватывания и процессов твердения. Если гидравлический цемент высыхает во время фазы отверждения, полученный продукт может быть недостаточно гидратирован и значительно ослаблен. Рекомендуется минимальная температура 5 ° C, но не более 30 ° C. Бетон в молодом возрасте необходимо защищать от испарения воды из-за прямого солнечного света, повышенной температуры, низкой относительной влажности и ветра.

Проблемы безопасности

На мешках с цементом обычно напечатаны предупреждения о здоровье и безопасности, потому что цемент не только сильно щелочной, но и процесс схватывания экзотермичен. В результате влажный цемент имеет сильную едкую (pH = 13,5) и может легко вызвать серьезные ожоги кожи, если сразу не смыть водой. Точно так же сухой цементный порошок при контакте с слизистыми оболочками может вызвать серьезное раздражение глаз или дыхательных путей. Некоторые микроэлементы, такие как хром, из примесей, естественным образом 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) в трехвалентный хром (Cr), менее токсичный химический вид. Пользователи цемента также должны носить соответствующие перчатки и защитную одежду.

Цементная промышленность в мире

Мировое производство цемента в 2010 г. Мировые мощности по производству цемента в 2010 г.

В 2010 г. мировое производство гидравлических цемент был 3,300 миллионов тонн (3,2 × 10 длинных тонн; 3,6 × 10 коротких тонн). В тройку лидеров вошли: Китай с 1800, Индия с 220 и США с 63,5 миллиона тонн, что в сумме составляет более половины мирового общего количества на три мира. самые густонаселенные штаты.

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 мировых мощностей.

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

Китай, на долю которого приходится все большая доля мирового потребления цемента, остается главным двигателем глобального роста. К 2012 году спрос в Китае составил 2160 млн т, что составляет 58% мирового потребления. Годовые темпы роста, которые достигли 16% в 2010 году, похоже, замедлились, снизившись 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.

Иран теперь является страной 3-й по величине производитель цемента в мире, увеличивший объем производства более чем на 10% с 2008 по 2011 годы. Из-за роста цен на энергию в Пакистане и других крупных странах-производителях цемента Иран занимает уникальное положение в качестве торгового партнера, используя свои собственные излишки нефти для энергии клинкерных заводов. В настоящее время Иран является ведущим производителем на Ближнем Востоке и продолжает укреплять свое доминирующее положение на местных рынках и за рубежом.

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

Показатели в остальном мире, включая многих в странах с развивающейся экономикой в ​​Азии, Африке и Латинской Америке, на долю которых в 2010 г. приходилось около 1020 млн т цемента, было положительным результатом и более чем компенсировало спад в Северной Америке. Годовой рост потребления был зафиксирован на уровне 7,4% в 2010 году, снизившись до 5,1% и 4,3% в 2011 и 2012 годах, соответственно.

По состоянию на конец 2012 года мировая цементная совокупность 5673 предприятий по производству цемента, включая интегрированные, так и шлифовальные, из которых 3900 располагались в Китае, а 1773 - в остальном мире.

Общие мировые мощности по производству цемента были зарегистрированы на уровне 5245 млн тонн в 2012 году, из которых 2950 млн тонн в Китае и 2295 млн тонн в остальном мире.

Китай

«Для последних 18 лет Китай неизменно 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 неуклонно снижается. Только 5,18 миллионов тонн было экспортировано из Китая в 2002 году. Предлагаемый по цене 34 доллара за тонну, китайский цемент уходит с рынка, поскольку просит всего 20 долларов за такое же качество ».

В 2006 году это было по оценкам, Китай произвел 1,235 миллиарда тонн цемента, что составляет 44% от общего производства цемента. «Спрос на цемент в Китае, как ожидается, будет расти на 5,4% в год и превысит 1 миллиард тонн в 2008 году, что будет вызвано медленным, но здоровым ростом расходов на строительство. Потребление цемента в Китае составит 44% мирового спроса, а Китай останется в мире. самый большой национальный потребитель цемента с большим отрывом ».

В 2010 году в мире было потреблено 3,3 миллиарда тонн цемента. Из них 1,8 миллиарда тонн приходится на Китай.

Воздействие на окружающую среду

Производство цемента оказывает воздействие на среду на всех этапах производственного процесса. Отравляет выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в виде пыли, газов, шума и вибрации при работе оборудования и во время взрывных работ на карьерах, а также ущерб окружающей местности в результате разработки карьеров. Широко используется оборудование для обработки металлов давлением при разработке карьеров и производства цемента, а оборудование для улавливания и отделения выхлопных газов находит все более широкое применение. Защита окружающей среды также включает повторную интеграцию карьеров в сельскую местность после того, как они были закрыты путем их возвращения в природу или рекультивации.

CO2выбросы

Глобальные выбросы углерода по типам до 2018 г.

Концентрация углерода в цементных пролетах от ≈5% в цементных конструкциях до ≈8% в случае дорог в цементе. При производстве цемента CO. 2 выбрасывается атмосфера как непосредственно при нагревании карбоната кальция с образованием извести и двуокиси углерода, так и косвенно за счет использования энергии, если при его производство выделяется CO 2. Цементная промышленность производит около 10% мировых антропогенных выбросов CO 2, из которых 60% приходится на химические процессы и 40% - на сжигание топлива. По оценкам исследования Chatham House 2018 года, на 4 миллиарда тонн производного ежегодно цемента использует 8% выбросов CO 2.

Почти 900 кг CO 2 выбрасываются на каждые 1000 кг произведенного портландцемента. В Европейском Союзе удельное потребление энергии для производства цементного клинкера сократилось примерно на 30% с 1970-х годов. Это сокращение потребности в первичной энергии эквивалентно примерно 11 миллионов тонн угля в год с использованием преимуществ в сокращении выбросов CO 2. Это составляет примерно 5% антропогенного CO 2.

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

Для уменьшения сокращения более тяжелого сырья и минимизации связанных с этим затрат, более экономично строить цементные заводы ближе к карьерам известняка, чем к центрам потребителей.

В некоторых случаях известковый раствор повторно абсорбирует часть CO 2, поскольку был выпущен при его производстве и потребляет меньше энергии в производстве, чем обычный цемент. Недавно разработанные типы цемента от Novacem и Eco-Cement могут поглощать углекислый газ из окружающего воздуха во время твердения.

По состоянию на 2019 год улавливание и хранение углерода 76>готовится к испытаниям, но его финансовая жизнеспособность сомнительна.

Выбросы тяжелых металлов в воздух

В некоторых случаях, в основном в зависимости от происхождения и состава используемого сырья, процесс высокотемпературного обжиганяка и глинистых минералов может выделять в атмосферу газы и пыль, богатые летучими тяжелыми металлами, например таллий, кадмий и ртуть являются наиболее токсичными. Тяжелые металлы (Tl, Cd, Hg,...), а также селен часто встречаются в качестве микроэлементов в обычных металлических сульфидах (пирит (FeS 2), цинковая обманка (ZnS), галенит (PbS),...) присутствуют в качестве вторичных минералов в большинстве сырьевых материалов. Во многих странах существуют экологические нормы, ограничивающие эти выбросы. По состоянию на 2011 год в США Государства, цементные печи "по закону разрешают перекачивать в воздух больше токсинов, чем установки для сжигания опасных отходов".

Тяжелые металлы, присутствующие в клинкере

Присутствие тяжелых металлов в клинкере возникает как из природного сырья, так и из-за использования переработанных побочных продуктов или альтернативных видов топлива. Высокий pH, преобладающий в поровых водах цемента (12,5 < pH < 13.5) limits the mobility of many heavy metals by decreasing their solubility and increasing their sorption onto the cement mineral phases. никель, цинк и свинец обычно встречаются в цементе в незначительных концентрациях. Хром может также непосредственно возникать как ес тественная примесь из сырья или как вторичное загрязнение в результате истирания твердых сплавов хромистой стали. в шаровых мельницах при измельчении клинкера. Поскольку хромат (CrO 4) токсичен и может вызывать тяжелую кожную аллергию при следовых концентрациях, иногда он восстанавливается до трехвалентного Cr (III) путем добавления 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 используемый процесс. Сегодня в большинстве цементных печей в качестве основного топлива используются уголь и нефтяной кокс, а в меньшей степени - природный газ и мазут. Отобранные отходы и побочные продукты с восстанавливаемой теплотворной способностью могут использоваться в качестве топлива в цементной печи (именуемой совместная переработка ), заменяя часть обычных ископаемых видов топлива, таких как уголь, если они соответствуют строгим требованиям.. Отобранные отходы и побочные продукты, содержащие полезные минералы, такие как кальций, кремнезем, глинозем и железо, могут использоваться в качестве сырья в печи, заменяя сырье, такое как глина, сланец и известняк. Поскольку некоторые материалы имеют как полезное минеральное содержание, так и извлекаемую теплотворную способность, различие между альтернативными видами топлива и сырьем не всегда очевидно. Например, осадок сточных вод имеет низкую, но значительную теплотворную способность и сгорает с образованием золы, содержащей минералы, полезные в матрице клинкера. Лом автомобильных и грузовых шин полезен в производстве цемента, поскольку они имеют высокую теплотворную способность, а железо, содержащееся в шинах, можно использовать в качестве исходного материала.

Клинкер получают путем нагрева сырья внутри основной горелки печи до температура 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 печи для обжига клинкера имеют множество преимуществ, и они обеспечивают полное разрушение органических соединений, полную нейтрализацию кислых газов, оксидов серы и хлористого водорода. Кроме того, следы тяжелых металлов вкраплены в структуру клинкера, и побочные продукты, такие как зола остатков, не образуются.

Цементная промышленность ЕС уже использует более 40% топлива, полученного из отходов и биомассы, при поставках тепловая энергия для процесса производства серого клинкера. Хотя выбор этого так называемого альтернативного топлива (AF) обычно определяется стоимостью, другие факторы становятся более важными. Использование альтернативных видов топлива дает преимущества как для общества, так и для компании: выбросы CO 2 ниже, чем при использовании ископаемого топлива, отходы могут быть переработаны эффективным и устойчивым образом. уменьшенным. Тем не менее, существуют разные виды топлива, используемые в странах Европейского Союза (ЕС). Социальные выгоды можно было бы улучшить, если бы больше государств-членов увеличили свою долю альтернативных видов топлива. В исследовании Ecofys оценивали препятствия и возможности для дальнейшего использования альтернативных видов топлива в 14 странах-членах ЕС. Исследование Ecofys показало, что местные факторы ограничивают рыночный потенциал в большей степени, чем техническая и экономическая реализация самой цементной промышленности.

Экологический цемент

Экологический цемент - это вяжущий материал, который соответствует функциональным характеристикам обычного портландцемента или превосходит их за счет включения и оптимизации переработанных материалов, тем самым низким потреблением природного сырья, воды и энергии, что приводит к созданию более экологичного строительного материала. Один из них - геополимерный цемент.

Новые производственные процессы для экологического цемента исследуются с целью уменьшения или даже устранения выброса вредных загрязнителей и парниковых газов, в частности CO 2.

Растущие экологические проблемы и рост стоимости топлива ископаемого происхождения привел во многих странах к резкому сокращению ресурсов, необходимых для производства цемента и стоков (пыли и выхлопных газов).

Команда из Университета Эдинбурга разработал процесс «DUPE», основанный на микробной активности Sporosarcina pasteurii, бактерии, осаждающей карбонат кальция, который при смешивании с песком и мочой, может выполнять строительные блоки с прочностью на сжатие 70% от прочности обычных строительных материалов.

См. также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-14 14:07:34
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте