Термин «цемент» произошёл от латинского слова caementum, что в переводе означает битый камень, щебень.  Цемент классифицируется как искусственное неорганическое вяжущее вещество, являющееся одним из наиболее используемых строительных материалов.

При затворении водой, водными растворами солей, а также любыми другими жидкостями, цемент трансформируется в пластичную массу, которая через некоторое время твердеет и превращается в камневидное тело. Основное предназначение цемента – приготовление бетона и разнообразных строительных смесей.

Цемент является гидравлическим вяжущим веществом и способен увеличивать свою прочность в условиях повышенной влажности, что существенно отличает его от некоторых других минеральных вяжущих (например: гипс или воздушная известь), которые, в свою очередь, способны затвердеть лишь в условиях относительной сухости окружающей среды.

Цемент, используемый для строительных растворов – это малоклинкерный композиционный цемент, предназначенный для различных штукатурных и кладочных растворов. Цемент изготавливается посредством измельчения портландцементного клинкера и различных активных минеральных добавок.

Цемент — исторические сведения

 До наших дней сохранились сведения о том, что древние римляне подмешивали к извести некоторые вещества с целью придать ей гидравлические свойства. Использовались пуццоланы и трасс (отложения вулканического пепла), а также раздробленные кирпичи

Несмотря на различия в своем химическом составе, все вышеуказанные вещества содержат оксиды: диоксид кремния SiO2 (кварц или кремнекислота), оксид алюминия Al2O3 (глинозём), оксид железа Fe2O3, что вызывает химическую реакцию с известью. При данной реакции происходит гидратация или присоединению воды с образованием химических соединений с кремнезёмом. В результате этого, нерастворимые гидросиликаты кальция кристаллизуются. Еще в средние века совершенно случайно было обнаружено, что результат обжига глиняных известняков по своим качествам водостойкости никоим образом не уступают римским смесям из пуццолана, если не превосходят их.

Данное открытие ознаменовало начала периода экспериментов. Основное внимание исследователей было сосредоточено на разработке отдельных месторождений глины и известняка, также изучалось наиболее оптимальное соотношение составляющих раствора и работа с новыми компонентами. Лишь после 1844 года ученые пришли к выводу, что абсолютно точное соотношение компонентов сырьевой смеси – это еще не все. Вещество требует обжига при высокой температуре (примерно 1450 °С, 1700 K) для того, чтобы соединить известь с оксидами. Три вышеуказанных оксида после обжига и спекания с известью и придают цементу гидравлические свойства, которые обуславливают его факторы гидравличности.

Непосредственно цемент можно получить при нагревании гашеной извести вместе с глиной, либо любым другим веществом сходного валового состава и высокой активностью до 1450 градусов. При этом материал частично плавится, что, в свою очередь, обуславливает образование гранул клинкера. Затем полученный клинкер смешивается с незначительными процентами гипса, а полученное вещество тщательно перемалывается. Гипс в данном соединении влияет на скорость схватывания, частично он заменяем другими формами сульфата кальция, например, в некоторых технических условиях является возможным добавление иных материалов на стадии помола. Типичный клинкер обычно имеет следующий состав: 67% СаО, 22% SiO2, 5% Al2О3, 3% Fe2O3 и 3% других компонентов. Как правило, клинкер имеет 4 главные фазы, которые называются алит, белит, алюминатная фаза и алюмоферритная фаза. Не исключено, что в веществе будут присутствовать несколько иных фаз, например щелочные сульфаты и оксид кальция.

Одной из наиболее важных частей всех цементных клинкеров является алит. В клинкере его процент составляет от 50 до 70. Алит представляет собой трехкальциевый силикат, его химическая формула Са3SiO5. Примечательно, что его состав и структура модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg2+, Al3+ и Fe3+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах всегда играет ключевую роль в создании прочности материала; для 28-суточной прочности вклад этой фазы является необходимым.

Нормальное содержание белита в клинкере — 15-30%. Белит, представляет собой двукальциевый силикат Ca2SiO4, модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде β-модификации. Белит плохо реагирует с водой, таким образом его влияние на прочность в течение первых 28 суток мало, однако он значительно увеличивает прочность бетона в более поздние сроки. Для сравнения: уже через год можно наблюдать, что прочность чистого алита и чистого белита становятся почти одинаковыми.

Содержание алюминатной фазы в растворе — примерно 5-10%. Это трехкальциевый алюминат Са3Al2O6, чей состав был существенно изменен, иногда имеет место изменение структуры, в основном за счет инородных ионов, таких как Si4, Fe3+, Na+ и К+. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент, обычно в этом случае добавляется гипс.

Ферритная фаза составляет 5-15% обычного цементного клинкера. Феррит представляет собой четырехкальциевый алюмоферрит Ca2AlFeO5, состав которого значительно меняется при изменении отношения Al/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило в первичный период она довольно высока и является промежуточной между скоростями, которые характерны для фаз для алита и белита на поздних сроках.

Нельзя не упомянуть имя выдающегося ученого химика А.Р. Шуляченко, которого по праву называют отцом русской цементной промышленности.

Виды цемента

По наличию основного минерала цементы можно классифицировать следующим образом:

• романцемент — преобладание белита, в настоящее время снят с производства
• портландцемент, характеризующийся преобладанием алита, один из наиболее популярных в строительстве
• глинозёмистый цемент, характеризующийся преобладанием алюминатной фазы
• магнезиальный цемент (или Цемент Сореля), производится на основе магнезита, а затем растворяется водным раствором солей
• смешанные цементы. В эту группу относятся все цементы, получаемые путем смешения вышеуказанных видов цементов с воздушными вяжущими, минеральными добавками и шлаками, которые обладают вяжущими свойствами.
• кислотоупорный цемент — на основе гидросиликата натрия (Na2O·mSiO2·nH2O), сухая смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворяется водным раствором жидкого стекла.

При употреблении слова «цемент» в основном подразумевают портландцемент, а также некоторые цементы из портландцементного клинкера. В конце прошлого века насчитывалось около 30 разновидностей цемента.

По категории прочности цемент делится на марки, которые в основном определяются пределом прочности при сжатии половинок образцов-призм размером 40*40*160 мм, изготовленных из раствора цемента состава 1 к 3 с кварцевым песком. Эти марки имеют отражение в числах М100 — М600 (как правило с шагом 100 или 50), которые обозначают прочность при сжатии соответственно в 100—600 кг/см2 (10—60 МПа). На сегодняшний день цемент марки М300 и менее снят с производства. Цемент с маркой 600 благодаря характерной для него высокой прочности еще может называться «военный» или «фортификационный» цемент, и, в свою очередь, он сто́ит заметно больше марки 500. Данный вид цемента применяется при возведении различных военных объектов (ракетные шахты, бункеры и пр.).

На сегодняшний день по категории прочности цемент подразделяется на классы. В отличие от марок, значение класса употребляется при выведении прочности не как среднего показателя, а при требовании не менее 95 % обеспеченности (это означает, что минимум 95 образцов из 100 доступных должны по своим характеристикам соотноситься с заявленным классом). Класс выражается в числах от 30 до 60, которые обозначают прочность при сжатии (в МПа).

Производство цемента

 Как упоминалось выше, цемент получают в процессе измельчения клинкера и гипса. Клинкер представляет собой продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, который обеспечивает преобладание силикатов кальция.

Во время измельчения клинкера, в него вводят различные добавки: гипс СaSO4∙2H2O для регулирования сроков схватывания, примерно 15 % составляет доля активных минеральных добавок, среди них: пиритные огарки, колошниковая пыль, бокситы, пески, опоки, трепелы. Все это необходимо для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

цементный клинкер

Обжиг сырьевой смеси, как правило, проводится при температуре 1470°Cв течение 2-4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера.

Вращающуюся печь условно можно поделить на зоны:

• зона подогрева (200…650 °C — выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента)
• декарбонизации (900…1200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО3 → СаО + СО2, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al2O3, SiO2) в этой же зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений
• экзотермических реакций (1200…1350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов
• спекания (1300→1470→1300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C2S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С3S)
• охлаждения (1300…1000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.  

Производство цемента в мире

К началу 2002 года мировое производство достигло примерно 1,8 миллиардов тонн в год. Среди крупнейших производителей можно выделить Китайскую Народную Республику, на чью долю приходится примерно 700 млн. тонн, Индию (около 100 млн. тонн) и США (91 млн. тонн).

Средняя стоимость бетона на европейских биржах в настоящее время составляет около 100 долларов США за тонну. В Китае средняя цена – около 40 долларов. Большинство биржевых сделок, связанных с покупкой либо продажей цемента в Российской Федерации по данным на 2010 год осуществляется на Московской Фондовой Бирже.