Cement materiał wiążący

Cement jest podstawowym materiałem we wszystkich rodzajach budownictwa. Stosowany jest: w postaci zaprawy do łączenia elementów, jako podstawowy składnik mieszanki betonowej, do produkcji betonowych elementów prefabrykowanych, wielkogabarytowych konstrukcji monolitycznych, dachówek, pustaków, itp. Dzięki swoim właściwościom cement jest praktycznie wszechobecny – domy, biurowce, ulice, mosty, zapory, tunele, lotniska drogi, chodniki. Jest to spoiwo hydrauliczne, co oznacza, że proces jego twardnienia może przebiegać również pod wodą.

Czym jest cement?

Uzyskiwany przez wypał w piecu cementowym w wysokiej temperaturze takich surowców jak: wapień, wapień marglisty, margiel, glina czy iłołupek, klinkier cementowy jest półproduktem do produkcji cementu.

Podstawowe tlenki, z których zbudowany jest klinkier to: CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ – czyli powszechnie występujące w przyrodzie.
Związki te podczas procesu wypału w piecu pod wpływem wysokiej temperatury reagują ze sobą tworząc podstawowe fazy (minerały) klinkierowe. Są nimi: krzemian trójwapniowy Ca₃SiO₅ – tzw. alit o wzorze technologicznym (C₃S), krzemian dwuwapniowy Ca₂SiO₄ – tzw. belit (C₂S), glinian trójwapniowy Ca₃Al₂O₆ – tzw. celit (C₃A), glinożelazian czterowapniowy Ca₄Al₂Fe₂O₁₀ – tzw. braunmilleryt (C₄AF) Skład chemiczny i mineralny klinkieru jest zwykłe zbliżony do przedstawionego w tabeli 1.

Skład chemiczny surowców		Skład chemiczny klinkieru		Skład (mineralny) wg metody Bogue’a
CaO	44,72	CaO	67%	C3S	51.5 – 85.2%
SiO2	14,34	SiO2	24%	C2S	0.2 – 27.1%
Al2O3	2,29	Al2O3	4%	C3A	6.8 – 15.6%
Fe2O3	1,84	Fe2O3	3%	C4AF	4.0 – 16.2%
MgO + SO3 + Inne	0,95	MgO + SO3 + Inne	2%	wolne CaO	0.08 – 5.58%
Strata prażenia	35,86

Tab. 1. Porównanie przykładowych składów surowców i klinkieru portlandzkiego

Cement portlandzki czysty uzyskuje się przez przemiał klinkieru cementowego z gipsem w młynach cementu. Dodatek gipsu reguluje czas wiązania (twardnienia) cementu, ponieważ bez obecności siarczanów podczas hydratacji (reakcje minerałów klinkierowych z wodą) twardnienie cementu odbywałoby się za szybko prawie natychmiast po zarobieniu cementu z wodą.

Proces technologiczny

Proces produkcji cementu jest technologicznie dość złożony. Dla jego zobrazowania najlepiej posłużyć się rysunkiem poglądowym. Poszczególne fazy procesu zostały krótko omówione w kolejnych podpunktach. 

Surowce

Surowce do produkcji cementu to kopaliny naturalne, takie jak: wapień, wapień marglisty, margiel, glina.
Są one pozyskiwane w zakładowych kopalniach odkrywkowych. Do korekcji składu surowcowego wykorzystuje się: łupek, pucolany, surowce żelazonośne, piasek.
Przygotowanie zestawu surowcowego do pieca cementowego jest jedną z ważniejszych operacji w całym procesie technologicznym produkcji cementu. Utrzymanie zadanego stałego składu mąki surowcowej przygotowywanej do wypału w piecu jest podstawą otrzymania dobrego półproduktu – klinkieru cementowego. Surowiec dostarczany z kopalni jest kruszony i wstępnie uśredniany. Do przemiału na mąkę składniki dozowane są w ściśle określonych proporcjach.

1	kreda	53,42%
	margiel	46,58%
2	kamień wapienny	88,67%
	iłołupek	10,06%
	mułek żelazonośny	1,27%
3	kamień wapienny	87,23%
	iłołupek	5,01%
	mułek żelazonośny	7,76%

Tab. 2. Przykładowe zestawy surowców do wypału klinkieru

Drobny przemiał surowców odbywa się w młynach kulowych bądź coraz częściej pionowych młynach rolowo-misowych. Młyny surowca tak jak inne urządzenia w przemyśle cementowym wyposażone są w filtry w celu ograniczenia emisji. Przygotowana mąka surowcowa, bardzo drobno zmielona – zwykłe poniżej 10% pozostałości na sicie 4900 oczek/cm², gromadzona jest w silosach i poddawana korekcji składu i homogenizacji. Do kontroli procesu przygotowania zestawu surowcowego stosowane są najnowszej generacji zautomatyzowane układy wykorzystujące metodę rentgenograficznego badania składu chemicznego.

Wypał klinkieru cementowego

Podstawowa i najbardziej energochłonna część procesu produkcji cementu przebiega w piecu cementowym, w której podczas wielu reakcji i przemian fazowych otrzymywany jest klinkier cementowy. Aby można było “przekształcić” zestaw surowcowy w klinkier, przygotowany zestaw surowcowy jest w instalacji piecowej, podgrzewany, suszony, następuje rozkład surowców a następnie podczas przemian fizykochemicznych tworzą się minerały klinkierowe. W strefie spiekania pieca cementowego temperatura materiału osiąga wartość 1450^oC. Materiał w strefie wysokich temperatur (powyżej 800^oC) przebywa w zależności od konstrukcji pieca około 30 minut. Najwyższe temperatury podczas procesu wypału klinkieru sięgają blisko 2000^oC – jest to temperatura płomienia i gazów w strefie spiekania, które przebywają w tej strefie ok. 10 sekund. Klinkier cementowy wychodzący z pieca ma temperaturę od około 900^oC do około 1300^oC. Jest on następnie schładzany i po opuszczeniu chłodnika ma temperaturę około 100^oC. Gorące gazy z chłodnika klinkieru wykorzystywane są przy przemiale w młynach węgla.  

Przemiał cementu

Operacją, która prowadzi do uzyskania końcowego produktu jest mielenie. Młyny, w których odbywa się przemiał w to przeważnie młyny kulowe. W tym roku została oddana do eksploatacji instalacja przemiału cementu z zastosowaniem prasy rolowej wstępnie przemielającej klinkier przed młynem cementu. Jest to pierwsza tego rodzaju instalacja w Europie Centralnej. Większość układów przemiałowych stosowanych zakładach cementowych pracuje w tzw. układach zamkniętych, z wykorzystaniem separatorów mechanicznych lub wysokiej sprawności separatorów cyklonowych. Osiąga się dzięki temu większą stabilność przemiału a zatem stabilność jakości produktu. Do operacji przemiału zużywa się najwięcej energii elektrycznej spośród wszystkich operacji jednostkowych w całym procesie produkcji cementu. W produkcji czystego cementu portlandzkiego do przemiału klinkieru dodawany jest gips pełniący rolę regulatora czasu wiązania cementu o czym wspominano wcześniej. Do cementów z dodatkami można stosować dodatki w ilościach od 5% do 80 %. Uzyskuje się dzięki temu asortyment cementów różniących się właściwościami w zależności od ich przeznaczenia. Tylko kilka rodzajów cementu wymaga przy produkcji specjalnych klinkierów cementowych.