Циментът незаменим в съвременното строителство

Днес циментът е един от най-важните строителни материали. Той се използва за производството на строителни разтвори и бетонни изделия, бетонни и стоманобетонни конструкции.
В настоящата статия ще обърнем внимание на особеностите, които отличават цимента от другите строителни материали, технологията му на производство, видовете цимент и тяхното приложение.

Встроителната практика под „цимент” се разбира т.нар. портландцимент, тъй като той е най-широко използваната разновидност на цимента. Портландциментът е хидравлично свързващо вещество – при смесването си с вода образува пластична маса, която след отлежаване се втвърдява и има способността да увеличи и запази якостта си. Дълготрайността на получения продукт и сравнително малките разходи за неговото производство са предпоставка за така широката употреба на циментите в строителството.

Циментът няма самостоятелно (индивидуално) приложение, но се явява важен изходен компонент за производството на много композиционни материали на негова основа: строителни разтвори, различни видове бетон, сухи строителни смеси. Свойствата на тези нови материали пряко зависят и се формират на база на свойствата на цимента – от смесването на изходните съставки до последващото свързване и образуване на циментовия камък.

Исторически сведения
И все пак, преди да се насочим към основните характеристики на цимента и технологичния процес на неговото производство, нека направим кратка историческа справка. Циментът спада към групата на минералните свързващи вещества. Те отдавна са познати на човечеството и се прилагат за строителни цели и в наши дни. Едни от първите такива вещества са строителната вар и строителния гипс. Като пример може да посочим, че при строителството на пирамидите в древен Египет са използвани именно строителни гипс и вар. В Китай и Индия гипсът също е познат и то 3000 години пр.н.е. По това време е съществувал специален вид строителен гипс, чиято температура на изпичане е била в порядъка между 150 и 180°С.

Древните римляни са смесвали определени вещества към варовите строителни разтвори, за да им предадат хидравлични свойства. Такива вещества са натрошените или смлени на прах тухли, както и вулканичните пепели. Експериментите с различни вещества продължават и през Средновековието. Съвсем случайно бива открито, че изпечените глина и варовик превъзхождат римските пуцоланови смеси. Голямо внимание е обърнато на съотношението и концентрацията на варовика и глината в разтворите. В края на 18-ти век се стига до заключението, че за да се постигнат оптимални качества, освен правилното съотношение на съставките за сухата смес са необходими и много високи температури на изпичане.

За първи път циментът е патентован от англичанина Джоузеф Аспдин през 1824г., а името „портландцимент” се дължи на неговия сив цвят, който силно наподобявал цвета на скалите край британския град Портланд. В наши дни циментът и неговите разновидности са в основата на съвременното строителство. С негова помощ се изпълняват бетонни и стоманобетонни конструкции за всички видове строителство – на жилищни и обществени сгради, промишлени сгради и съоръжения, както и транспортни и хидротехнически съоръжения. Циментовият бетон в продължение на почти цял век е може би най-разпространения строителен материал и има голяма вероятност тази тенденция да не се промени и през 21-вия век.

Производство
Портландциментът се получава при съвместното смилане на портландциментов клинкер и гипс (до 5 %). Често в практиката за постигането на определени цели се добавят и минерални добавки като трас, вулкански туфи, гранулирана доменна шлака, варовик, ТЕЦ-ови пепели или микросилициев прах. Клинкерът, който е основната суровина за производството на цимента, се получава при изпичането до стопилка на финодиспергирана смес от варовик и глина и други материали – мергели, пиритни угарки, доменна шлака и други. Технологичният процес на циментовото производство се състои от четири основни и последователно осъществявани етапа:
1. Подготовка на суровините и суровинната смес, включваща добиване, натрошаване и смилане на суровинните компоненти, хомогенизацията и корекцията на суровинната смес.
2. Изпичане на сместа за получаване на циментовия клинкер и охлаждането му, подготовка за изгаряне на горивото за изпичане.
3. Получаване на цимент – съвместно смилане на клинкер, гипс и добавки.
4. Съхраняване на цимента, опаковане и експедиране.

Портландциментовият клинкер е основен компонент за цимента (със съдържание в цимента между 50 и 100%). При проектирането на състава на циментовия клинкер се задават технологичните характеристики, които определят свойствата на цимента. За получаването на клинкера се използват основно естествени скални материали, които след трошене и смилане образуват „суровинната“ смес. Обикновено тази смес има приблизително следния състав: 70% варови, 20% мергел и дънни пепели, 10% коригиращи добавки – основно желязосъдържащ материал, пясък. Суровините, необходими за производството, се добиват в открити кариери. Желязосъдържащите и други добавки в по-малки количества са остатъчни продукти от други клонове на промишлеността (в съответствие с рециклирането според възприетия подход за „устойчиво развитие“).

В зависимост от начина на приготвяне на суровинната смес съществуват основно два метода за производство на цимент – мокър и сух. При мокрия метод смилането на варовика, глината и коригиращите добавки става в топкови мелници с добавянето на значително количество вода, в резултат на което се получава водна суспензия (шлам). При сухия метод смилането и хомогенизирането на суровинната смес става в сухо състояние. Всеки от тези два метода има своите добри и слаби страни.

Мокър метод. При този метод постъпващият от кариерата варовик се натрошава до необходимите фракции и се съхранява в закрит склад. Там постъпват преработеният мергел и коригиращите добавки. Чрез бункери и дозиращи захранващи устройства, всички суровинни компоненти се подават в топковите мелници, където се подава и вода, която има ролята на интензификатор на смилането. Смляната суровинна смес във вид на шлам се изпраща с центробежни помпи в хоризонтални басейни, където се хомогенизира и коригира до необходимия химичен състав. Готовият шлам се подава към пещите за изпичане.
Изпичането на суровинната смес (шлама) и получаване на клинкер е основният технологичен процес в циментовото производство. За тази цел е необходимо голямо количество топлина, което се получава при изгарянето на голямо количество висококалорични горива. Видът и съставът на горивата са определящ фактор за топлинния режим на пещта – изпичането и охлаждането й влияят върху микроструктурата на клинкера. Това определя специфичните свойства на клинкера, които са от съществено значение за качеството на цимента.

Суровинната смес постъпва във въртящата пещ с ниска температура и водосъдържание около 35%. При повишаване на температурата в пещта, сместа претърпява химични и физико-химични промени. В резултат сместа се загрява и като начало се изпарява водата, която трябва да се отстрани в зоната на дехидратация (верижна зона). След дехидратацията, материалът постъпва в зоната на калцинация, при която калциевият карбонат СаСО3 се разлага на калциев оксид СаО и въглероден диоксид СО2 при температури от 850-950°С. След това материалът постъпва в зоната на спичане, където при температура от 1200 до 4500°С калциевият оксид започва да реагира с Al2O3, Fe2O3 и SiO2, образувайки сложни минерали (алит, белит и др.), които влизат в състава на т.нар. клинкер.

Тези зони в пещта имат условен характер и нямат определена постоянна дължина, място и резки граници. Тяхното диференциране подчертава основния процес, който протича в определения температурен интервал, както и последователността на процесите в пещта. Полученият продукт клинкер, представлява полиминерален продукт – сложна смес от различни високотемпературни фази, получени при взаимодействието на основните компоненти.

След като всички реакции са завършили, продуктът постъпва в зоната на охлаждане. В нея става окончателното оформяне и кристализация на алитовата, белитовата, алуминатната и алумоферитната фаза, на MgO и СаО. В много малко количество се получава и стъкловидна фаза. Охлаждането на клинкера завършва в специални охладители (барабанни или скарни). Междинният продукт – циментовият клинкер, се транспортира до склада за съхранение на клинкер.

Смилането на цимента е заключителния етап от неговото производство. Компонентите за циментовата шихта (клинкер, гипс и добавки), постъпват в бункерите на циментовите топкови мелници и с тегловни дозатори се подават за смилане. Полученият продукт – различните видове цимент, се подава в обособени закрити складови силози.

Сух метод. При него първо изходните материали – глина и варовик, се смилат.. След това хомогенизираната суровинна смес се подава във високия край на кулата за предварително подгряване, преминава през серия от циклонни топлообменници и стига до бункер – декарбонизатор. В декарбонизатора изходните материали се загряват до температура около 900°С, при което за много кратко време, само няколко секунди, приблизително 90% от варовика е карбонизирал преди да попадне във въртящата се пещ. В пещта материалът се нагрява до температура 1450 – 1500°С и алуминатните фази преминават в разтопено състояние. В резултат на това и въртеливото движение на пещта се формира гранулиран материал, познат като клинкер. После клинкерът напуска пещта нагрят до 1200°С и се охлажда в охладител до 60°С, преди да се отправи в бункер за складиране на клинкер и смилане съвместно със суров гипс.

Видове цимент
Портландциментът от редовното производство на циментовите заводи не винаги може да удовлетвори изискванията при производство на изделия и конструкции от бетон и стоманобетон. Поради тези по-специфичните изисквания към свойствата на използваните цименти за направа на бетон се добавят и специални свойства с помощта на различни добавки.

Пуцоланов портландцимент. Получава се при съвместното смилане на портландциментов клинкер, трас (20-40%) и природен гипс. Отличава се с: по-голяма водопотребност от портландцимента (28-35%); по-голямо съсъхване; по-бавно нарастване на якостите в ранна възраст; голяма водоустойчивост и водонепропускливост; по-малка мразоустойчивост. Използва се за бетонни и стоманобетонни елементи, намиращи се под вода или при голяма влажност, които обаче не са подложени на замръзване.

Шлакопортландцимент. Продукт на съвместното смилане на портландциментов клинкер, гранулирана доменна шлака (20-50%) и природен гипс. За шлакопортландцимента са характерни голяма водоустойчивост, водонепропускливост и мразоустойчивост. Този вид цимент също има приложение при бетонните и стоманобетонните конструкции, намиращи се под вода или при голяма влажност, но за разлика от пуцолановия шлакопортландциментът е подходящ и за конструкции, подложени за замръзване.

Бързовтвърдяващ се цимент. Тази разновидност на цимента се получава при много ситно смилане на портландциментов клинкер, активна минерална добавка и гипс. Съдържанието на трикалциев алуминат е малко по-високо в сравнение с портландцимента. Този цимент втвърдява бързо в ранна възраст и отделя повече топлина от портландцимента. Подходящ е за бетонни и стоманобетонни елементи за сглобяемото строителство, за бетониране при зимни условия, а също и за укрепителни работи.

Глиноземен цимент. Наричан още алуминиев цимент. Суровините за производството му са варовик и боксит (алуминиева руда). Основният минерал, който се получава е еднокалциев алуминат. Втвърдява много бързо, като стандартната якост добива на третия ден.Също както при бързотвърдяващия се цимент при свързването на бетонната смес се отделя значително повече количество топлина. Поради тази причина се препоръчва и за работа през зимата. Глиноземният цимент се използва главно за възстановителни работи в аварийни ситуации – след природни бедствия.

Бял и цветни цименти. Сред изискванията при производството на бял цимент са суровините за белия цимент да не съдържат големи количества Fe2O3 и MnO и смилането на клинкера да се извършва с много твърди тела от легирана стомана. Цветните цименти се получават чрез оцветяване на белия цимент или портландцимента. Приложението на тези цименти е за мозайки, декоративни мазилки, пана, облицовъчни плочи.

Сулфатоустойчив портландцимент. Получава се чрез съвместното смилане на портландциментов клинкер с определен минерален състав и гипс (SO3≤3,5%). Сулфатоустойчивият портландцимент се прилага за направа на бетонни и стоманобетонни конструкции, подложени на повишена сулфатни йони в агресивната среда от 250 до 3000mg/dm3. Препоръчва се и за бетони, намиращи се при условията на променливата зона на хидротехнически и други съоръжения, където са подложени на периодично мокрене и съхнене, замразяване и размразяване. Произвеждат се още сулфатоустойчив шлакопортландцимент и пуцоланов портландцимент. Те се прилагат за направа на подводни части на съоръжения (армирани и неармирани), които се намират при условия на сулфатна корозия.

Нискотермичен цимент. Получава се чрез съвместно смилане на портландциментов клинкер с определен минерален състав, минерални добавки и гипс (SO3≤3,5%). Изискването към минералния състав на портландциментовия клинкер е съдържанието на алит да не надвишава 50%, а съдържанието на трикалциев алуминат – 5%. Нискотермичният цимент освен с намалено топлоотделяне (екзотермия) се характеризира и с бавно нарастване на якостта в ранната възраст, с повишена сулфатоустойчивост и понижена мразоустойчивост.Употребата му се препоръчва при направа на едроразмерни (масивни) бетонни и стоманобетонни части и съоръжения като едроразмерни фундаменти на високи сгради, бетонни язовирни стени и други.

Класификация според строителните норми
Според номенклатурата от НСИОССП обикновените цименти се разделят на пет основни типа – портландцимент, комбиниран портландцимент, шлаков цимент, пуцоланов цимент и смесен цимент. Европейските норми за класификация и изпитване на обикновени цименти, приети като БДС, са две групи – ЕN 196 и ЕN 197. Серията БДС EN 196 включва методите за изпитване на цименти за определяне на якост, химичен анализ, определяне на време за свързване и обемопостоянство, определяне на ситност и други.

В БДС EN 197-1 са изброени компонентите, от които е направен цимента - портландциментов клинкер, гранулирана доменна шлака, пуцоланови материали, пепели от ТЕЦ, печени шисти, варовик, микросилициев прах и калциев сулфат. Всяка добавка трябва да отговаря на редица изисквания, които са описани в стандарта. БДС EN 197-1 разделя обикновените цименти на следните типове: СЕМ I - портландцимент, СЕМ II - комбиниран портландцимент, СЕМ III - шлаков цимент, СЕМ IV - пуцоланов цимент и СЕМ V – смесен цимент. Важен аспект в този стандарт е, че той заменя използваното преди понятие марка на цимента. Вместо него е въведен клас по якост, като на този етап са определени шест класа. Те са три нормални (с минимална якост съответно 32,5Мра, 42,5Мра и 52,5Мра) и три с повишени изисквания към ранна якост след 48 часа (32,5R, 42,5R и 52,5R).

Стандартът БДС EN 197-2 определя начина за оценка на съответствието на цименти със съответните стандарти за спецификация на продукта и сертификация за съответствие.

В този стандарт са включени и правилата за вътрешен контрол от страна на производителя, задълженията на органа по сертификация и действията в случай на несъответствие.

Всички видове цимент се отнасят към система 1+ за оценяване на съответствието по НСИОССП. Това означава, че се отнасят към строителните продукти, при които изискванията за безопасност при прилагане са най-големи.