Polecamy

150 lat przemysłu cementowego na ziemiach polskich

Na ziemiach polskich, w miejscowości Grodziec, powstała w 1857 roku piąta na świecie cementownia, wytwarzająca cement portlandzki. Założył ją radca stanu w Królestwie Polskim Stanisław Ciechanowski. Miał on doświadczenie w wytwarzaniu cementu, bowiem już od roku 1823 produkował w osiedlu Kozioł, koło Sławkowa, cement romański.

kliknij aby powiększyć [29.jpg]Początki dobrych spoiw hydraulicznych sięgają czasów starożytnych Greków. Znali oni także właściwości niektórych osadów wulkanicznych, które drobno zmielone i zmieszane z wapnem i z piaskiem dawały zaprawy, nie tylko o większej wytrzymałości, lecz i o większej odporności na działanie wody. Od Greków umiejętności te przejęli i rozwinęli Rzymianie, którym zawdzięczamy terminy „cement” oraz „materiały pucolanowe”. Cementami nazywano początkowo ma-teriały, które obecnie określamy pojęciem „sztuczne pucolany”, a później także zaprawy, w końcu została ona ograniczona tylko do spoiw. Natomiast nazwa „pucolany” pochodzi od miejscowości Puccoli w Zatoce Neapolitańskiej, w której Rzymianie wydobywali rozmaite skały wulkaniczne stosowane do wytwarzania spoiw hydraulicznych.

Początki cementu w dzisiejszym rozumieniu tego słowa trzeba wiązać z doświadczeniem przemysłowym i badaniami prowadzonymi w drugiej połowie XVIII i pierwszej połowie XIX wieku. Jak to często bywa, doświadczenie wyprzedzało wiedzę teoretyczną. Wprawdzie po upadku Imperium Rzymskiego sztuka wypalania wapna i przyrządzania zapraw wapiennych znacznie spadła i dopiero od XIV wieku osiągnęła znowu dobry poziom – cały czas uważano jednak, że właściwości hydrauliczne można uzyskać, dodając do wapna naturalne lub sztuczne pucolany, przy czym te pierwsze miały znacznie większe powodzenie. Przełomowe w dziedzinie wytwarzania spoiw hydraulicznych okazały się dopiero prace Johna Smeatona, który poszukiwał najlepszego materiału do budowy w 1756 roku latarni morskiej w Eddystone Rock. Stwierdził on mianowicie, że lepsze właściwości mają zaprawy z wapna wypalonego z surowca bogatego w substancje ilaste. Było to wapno hydrauliczne i prawdopodobnie Smeaton jako pierwszy użył tej nazwy. Czterdzieści lat później, w 1796 roku, James Parker z Northfleet uzyskał patent na produkt z prażenia marglu, który nazwano kilka lat później cementem romańskim. Był to szybko wiążący cement. Cement taki wkrótce zaczęto wytwarzać z surowców znajdujących się koło Boulogne.

Następny przełom był związany z badaniami Vicata, który wykazał, że wapno hydrauliczne można uzyskać przez wypalenie mieszaniny ze wspólnie zmielonej na mokro kredy i gliny. Ba-dania te Vicat przeprowadził w roku 1817, jednak wyniki swoje opublikował rok później. Potwierdziły je doświadczenia Legera w Anglii i Raucourta de Charleville w Rosji.

Pierwszy nazwy „cement portlandzki” użył w roku 1824 Aspdin, który uzyskał patent na wytwarzanie tego cementu. Cement ten po stwardnieniu miał osiągać takie same wytrzymałości jak materiały kamienne z Portland i był do nich zbliżony kolorystycznie. Takie same doświadczenia prowadził Frost, który opatentował swój wynalazek w roku 1822, nazywając uzyskane przez siebie spoiwo cementem brytyjskim (british cement). Jak podaje Davis, nie wiadomo, czy któryś z nich przekroczył znaczniej temperaturę dekarbonatyzacji wapienia przy produkcji tych cementów. Przekraczania tej temperatury obawiano się, gdyż według ówczesnych poglądów pogarszało to właściwości cementu. Z tego względu za twórcę technologii wytwarzania cementu portlandzkiego uważa się I. C. Johnsona, który prowadził produkcję w firmie White&Sons i prawdopodobnie w roku 1845 wyprodukował cement odpowiadający właściwościami cementowi portlandzkiemu. Zastosował on wyższe temperatury „aż prawie do zeszklenia materiału”.

Równolegle z tymi doświadczeniami rozwijała się produkcja cementu i według Davisa w roku 1850 były prawdopodobnie w Anglii cztery małe fabryki cementu, usytuowane w Swanscombe, Northfleet, Wakefield i Gateshead. Początkowo rozwój produkcji cementu portlandzkiego był utrudniony przez silną konkurencję cementu romańskiego i dopiero wzrastająca wiedza na temat chemii tego materiału przyniosła poprawę jego jakości, co doprowadziło do stopniowego wyparcia cementu romańskiego. Ten ostatni jednak z uwagi na szczególną przydatność w pewnych zastosowaniach był wciąż produkowany, aż do końca XIX wieku. Stosowanie cementu portlandzkiego we Francji przypadło mniej więcej w roku 1850. Firma Dupont i Demarle w swojej fabryce w Boulogne-sur-Mer, wytwarzającej inne cementy, podjęła produkcję cementu portlandzkiego i zaczęła dostarczać na rynek duże ilości tego materiału wiążącego w roku 1850. W tym świetle budowę i podjęcie przez Stanisława Ciechanowskiego produkcji w Grodźcu cementu portlandzkiego w roku 1857 można uznać za pionierskie. Biorąc pod uwagę podany przez Daviesa wykaz cementowni, byłaby to szósta cementownia na świecie, natomiast źródła polskie wymieniają ją na piątym miejscu.

Równolegle z rozwojem produkcji postępował rozwój wiedzy teoretycznej związanej z chemią cementu. Początkowo rozwój ten następował bardzo powoli i, poza odkryciem Vicata, sprowadzał się głównie do poprawy technologii, jednak bez głębszego zrozumienia zachodzących reakcji chemicznych. Początkowo powszechnie uważano, że cement portlandzki składa się z wapna i krzemionki, które łączą się w obecności wody. Nieco później pojawiła się hipoteza, głównie w wyniku prac Fremy (1866), że klinkier zawiera krzemian dwuwapniowy i nadmiar wolnego wapna. W końcu do poprzednich faz dodano glinian wapnia. Wiedza o składzie cementu była już w owych czasach dosyć rozpowszechniona, pomimo słabej dostępności informacji na świecie. W roku 1871 Ertel pisał w Warszawie, że cement składa się z krzemianu dwuwapniowego i glinianu dwuwapniowego. Ten sam autor przedstawiał analizy cementu, między innymi Michaelisa, i podawał, że według jego opinii „pruchnienie” cementu „zdaje się mieć przyczynę w wapnie chemicznie z innymi częściami cementu nie połączonem”. Ertel podawał także za Vicatem, że 1,2 do 2,4% gipsu w cemencie romańskim nie jest szkodliwe. W monografii Ertela jest także mowa o jakości cementu z Grodźca. Otóż według niego w 1957 roku, a więc zaraz po rozpoczęciu produkcji w tej cementowni, specjalnie porównywano jakość cementu z Grodźca z angielskim z fabryki Robinsa, stwierdzając, że ten pierwszy niczym nie ustępuje angielskiemu, a nawet go przewyższa. Cement grodziecki został między innymi zastosowany do budowy kolei warszawsko-wiedeńskiej, warszawsko-bydgoskiej i ząbkowicko-katowickiej oraz szeregu mostów. Otrzymał także wiele medali i wyróżnień na wystawach światowych, między innymi na wystawie petersburskiej w 1860, londyńskiej w 1862 i moskiewskiej w 1865. Badanie jakości cementu było w owych czasach nieco „egzotyczne”, na przykład Ertel podaje wytrzymałości zmierzone po 52 dniach.

Dopiero prace Le Chateliera przyniosły znaczny postęp. Jego publikacje zaczęły się pojawiać w roku 1882, jednak zasadnicze znaczenie miała rozprawa opublikowana w roku 1887. Le Chatelier wysunął pogląd, że ortokrzemian dwuwapniowy jest głównym, jeżeli nie jedynym, składnikiem hydraulicznym cementu portlandzkiego, a ponadto występują glinian trójwapniowy i glinożelazian wapniowy o składzie 3CaO•2(Fe,Al)2O3 oraz maleńkie kryształki, prawdopodobnie związków magnezu. W późniejszych pracach wysunął hipotezę, że krzemian dwuwapniowy ma drugorzędną rolę w twardnieniu cementu i przypuszczał, że w klinkierze występuje także krzemian trójwapniowy. Nie udało mu się jednak uzyskać go doświadczalnie. Le Chatelier jako pierwszy zastosował mikroskop do badań mineralogicznych klinkieru. Dziesięć lat później Tornebohm podjął badania mikroskopowe klinkieru, jednak nie znając wyników badań Le Chateliera. Odkrył on wszystkie główne fazy klinkierowe, nazywając je alitem, belitem, celitem i felitem, oraz stwierdził występowanie niewielkich ilości szkła. Felit był odmianą polimorficzną belitu, natomiast celit brownmillerytem. Równocześnie w roku 1884 rozeznano szkodliwą rolę zbyt dużej zawartości magnezu w klinkierze. Nastąpiło mianowicie we Francji zawalenie się mostów betonowych i wiaduktów dwa lata po ich wybudowaniu. Awarii uległa także wieża ratusza w Kassel. Cementy zastosowane w tych budowlach zawierały odpowiednio 16,3% i 27% MgO. Znacznie wcześniej wiedziano także o szkodliwości zbyt dużej zawartości niezwią-zanego tlenku wapniowego, który groził brakiem stałości objętości betonu i z tego względu zalecano ograniczenie tej zawartości do 2,8%. Teraz mówi się nieoficjalnie o 2%.

Produkcja cementu na ziemiach polskich rozwijała się szybko po roku 1884, z wyjątkiem małej cementowni w Wejherowie uruchomionej w roku 1872, a jej rozwój trwał do roku 1914. Ogółem powstało 15 cementowni, które jednak uległy znacznym zniszczeniom podczas pierwszej wojny światowej. Od roku 1920 nastąpił znowu stosunkowo szybki wzrost produkcji cementu w Polsce, zahamowany jedynie w okresie lat kryzysowych. Ostatecznie w roku 1939 zdolność przemysłu cementowego w Polsce osiągnęła 1,98 miliona ton, jednak w związku z wybuchem drugiej wojny światowej produkcja była największa w roku 1938, zbliżając się do 1,72 miliona ton.

Z biegiem lat jakość wytwarzanych cementów portlandzkich ulegała znacznej poprawie, co było spowodowane przede wszystkim zmianami technologicznymi. Największy wpływ miał rodzaj pieców stosowanych do prażenia klinkieru. Najstarszymi piecami były piece szybowe o pracy periodycznej, zastąpione następnie przez piece szybowe o działaniu ciągłym. Były stosowane również piece kręgowe Hoffmana. Największy postęp w jakości cementu przyniosło wprowadzenie po roku 1910 pieców obrotowych. Największy piec obrotowy w Polsce przed drugą wojną światową został zainstalowany w cementowni Szczakowa; był to piec firmy Smidth o wydajności 500 ton/24 h. Wybudowana w 1935 roku „pod klucz” przez firmę F. L. Smidth fabryka Saturn uchodziła za najnowocześniejszą cementownię w Europie. Obok poprawy jakości cementu, związanej z wprowadzeniem pieców obrotowych, korzystny wpływ miało także zastosowanie młynów rurowo-kulowych, które zapewniały znacznie lepsze  rozdrobnienie od początkowo stosowanych młynów kulowych lub ich udoskonalonej formy, znanej pod nazwą „kominor”. Wszystkie te zmiany techniczne pociągnęły za sobą  radykalną zmianę jakości cementu.

Rozwój doświadczenia technologicznego spowodował wprowadzenie na rynek nowych rodzajów cementów, którymi były, już w okresie dwudziestolecia międzywojennego,   cement przedni, cement „Żubr” oraz cement hydrotechniczny – o małym cieple hydratacji. Dwa pierwsze cementy wyróżniały się szybkim przyrostem wytrzymałości i dużą wytrzymałością po 28 dniach twardnienia. Cement o małym cieple twardnienia był przeznaczony do specjalnych zastosowań, przede wszystkim do wykonywania betonów masywnych. Między innymi zbudowano z niego zaporę w Rożnowie, a stosowano cement z fabryki  w Grodźcu. Polski cement był eksportowany na cały świat i miał bardzo dobrą markę jakościową. Jako ciekawostkę można podać, że w roku 1981 miałem możliwość przeczytać list z Argentyny do dyrektora cementowni Saturn z propozycją podjęcia eksportu cementu do tego kraju, bowiem cement z tej fabryki cieszył się w Argentynie bardzo dobrą opinią.

Po drugiej wojnie światowej nastąpił bardzo szybki wzrost produkcji cementu w Polsce, spowodowany dużym jego zbytem, niezbędnym do odbudowy zniszczeń wojennych, rozwoju przemysłu i potrzeb mieszkaniowych. Zbudowano 10 nowych cementowni i rozbudowano istniejące. Produkcja cementu rosła szybko, osiągając w roku 1955 3,8 mln ton, w 1965 8 mln, a w roku 1975 16 mln. Ten rozwój nie byłby możliwy, gdyby nie prace utworzonego w 1952 roku Biura Projektów Cementu i Wapna, które wykonało wszystkie projekty związane z rozwojem przemysłu cementowego i wapienniczego. Wystarczy podać, że w szczytowym okresie biuro to zatrudniało 600 pracowników. Największą produkcję osiągnął przemysł cementowy w roku 1978, wyniosła ona 21,44 mln ton. Poziom techniczny przemysłu był jednak bardzo zróżnicowany i obok nowoczesnych zakładów, do których należały na przykład cementownie Górażdże i Ożarów, eksploatowano zakłady przestarzałe, pracujące metodą mokrą i wyposażone w urzą-dzenia małej wydajności. Przykładem mogą być nieistniejące już cementownie Wysoka i Wiek.

Budowane (Wierzbica 1952) lub odbudowywane cementownie (Odra 1954) wyposażano w suszarnie żużla, co pozwoliło podjąć produkcję cementu hutniczego, który w Niemczach był już produkowany od roku 1862. Również wzorem Francji podjęto w roku 1972 produkcję cementów z dodatkiem popiołu. Jakość cementów była bardzo dobra, a do jej badania stosowano nowoczesne normy, oparte na normach niemieckich. Pozwoliło to przemysłowi przetrwać trudny okres pomiędzy rokiem 1990 a 1994 dzięki eksportowi do Niemiec bez mała 3,5 mln ton cementu rocznie. Prywatyzacja przyniosła bardzo duży rozwój techniczny przemysłu cementowego w Polsce. Wprowadzono dekarbonizatory wstępne w wielu piecach, unowocześniono układy odpylające przede wszystkim gazy z pieców obrotowych, co radykalnie zmniejszyło emisję pyłów, wprowadzono „prasy filtracyjne” do wstępnego rozdrabniania klinkieru, zastosowano obiegi zamknięte w młynach do cementu, instalując nowoczesne separatory o dużej skuteczności. Te zmiany technologiczne pozwoliły na zmniejszenie zużycia energii do produkcji cementu do poziomu najnowocześniejszych zakładów cementowych na świecie. Warto może wspomnieć, że w cementowni Chełm firma FLSmidth zastosowała pierwszą na świecie technologię produkcji klinkieru bez przemiału surowca. Było to możliwe ze względu na bardzo dobrą jakość kredy stosowanej w tym zakładzie, która jednak w złożu ma wilgotność około 24%. Zanotowano również rekordową w Europie wydajność pieca w cementowni Ożarów, wynoszącą 8500 ton/24 h.

Równolegle z rozwojem przemysłu cementowego w Polsce były prowadzone także badania w zakresie chemii cementu. W okresie międzywojennym koncentrowały się one w Katedrze Technologii Chemicznej Politechniki Warszawskiej, pod kierunkiem prof. Zawadzkiego. Są to przede wszystkim prace prof. Konarzewskiego, dotyczące powstawania ortokrzemianów oraz ferrytów wapniowych. Liczącą się pozycję światową w badaniach nad hydratacją cementu miały prace Antoniego Eigera, który wysunął jako jeden z pierwszych hipotezę powstawania roztworów stałych hydratów C3AH6 – C3FH6. Eiger był pierwszym, który wykazał, że wytrzymałość cementu jest proporcjonalna do stopnia jego hydratacji. Prace Eigera dotyczyły również najkorzystniejszego składu ziarnowego cementu. O aktualności prac Eigera świadczy pięciokrotne ich cytowanie w monografii Lea z roku 1971.

W Polsce po II wojnie światowej badania z zakresu chemii cementu rozwinęły się znacznie w wyniku utworzenia w roku 1949 Wydziału Ceramiki w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a w roku 1954 Instytutu Przemysłu Wiążących Materiałów Budowlanych w Opolu. Z wielu uczonych zajmujących się chemią cementu trzeba wymienić przede wszystkim prof. Jerzego Grzymka, autora kompleksowej technologii produkcji tlenku glinu i cementu szybko twardniejącego, oraz prof. Jerzego Sulikowskiego, który pracował nad zagadnieniami spiekalności surowców i zaburzeniami w procesach wiązania cementu. Uczeni ci wychowali liczną kadrę młodych naukowców, którzy mają już wyrobioną dobrą pozycję światową.

prof. dr hab. inż. Wiesław Kurdowski

Literatura
1. Stanisław Altman, Wyrób cementu portlandzkiego, Warszawa 1937
2. R. H. Bogue, La Chimie du Ciment Portland, Eyrolles, Paris 1952
3. A.C. Davis, Portland Cement, Concrete Publications Limited, London, SD Edition, 1943
4. A. Eiger, Rev. Mat. Contr. Trav. Publ. 1937, (334), 141 i Cement, 7, 231, 1935, oraz Tonind. Ztg. 56, 532, 558, 1932
5. L. Ertel, O użyciu cementów w ogólności i opis cementów krajowych, Drukarnia Alek-sandra Pajewskiego, Warszawa 1871
6. P. Gooding, P. Halstead, 3th ICCC London 1952 1952, s. 1, Cement and Concrete As-soc., London 1954.
7. J. Grzymek, 7th ICCC, Moskwa t. 1. 1974 i Silikattechnik, 6. 135, 1961
8. J. Konarzewski, Przemysł chemiczny, 4, 165, 1932 i Roczniki Chemii, 11, 44, 1931
9. P. K. Mehta, Paulo J.M. Monteiro, Concrete Microstructure, Properties and Materiale, The Mc Graw-Hill Companies Inc. College Custom Series, New York 1993, p. 159
10. H. Kuhl, Zement-Chemie, Verlag Technik, Berlin 1952
11. M. Stelmach, „Cement, Wapno, Gips”, 13, 217, 1957
12. L. Zachuta, Historia przemysłu cementowego w Polsce 1857-2000, Polski Cement, Kraków 2004

(Powyższy tekst ukazał się w 3/2007 numerze kwartalnika "Budownictwo, technologie, architektura").

Więcej na temat przemysłu cementowego <kliknij>.