Цементная промышленность

Мировое производство цемента составляет около 4,4 миллиарда тонн в год (оценка на 2021 год), из которых около половины производится в Китае, за ним следуют Индия и Вьетнам.

На процесс производства цемента приходится почти 8 % (2018 г.) глобальных выбросов CO₂, включая нагрев сырья в цементная печь в результате сгорания топлива и, как следствие, выброса CO₂, хранящегося в карбонате кальция (процесс кальцинирования). Гидратированные продукты, такие как бетон, постепенно реабсорбируют значительные количества атмосферного CO₂ (процесс карбонизации), компенсируя около 30% начальные выбросы CO₂, как показывают оценки.

Цементные материалы можно разделить на две отдельные категории: гидравлические цементы и негидравлические цементы в зависимости от соответствующих механизмов схватывания и затвердевания. Гидравлическое схватывание и затвердевание цемента включает реакции гидратации и, следовательно, требует воды, в то время как негидравлические цементы реагируют только с газом и могут схватываться непосредственно на воздухе.

Безусловно, наиболее распространенным типом цемента является гидравлический цемент, который затвердевает за счет гидратации минералов клинкера при добавлении воды. Гидравлические цементы (такие как портландцемент) изготавливаются из смеси силикатов и оксидов, четырех основных минеральных фаз клинкера, сокращенно обозначаемых в обозначениях химика-цементиста:

Силикаты отвечают за механические свойства цемента — трехкальциевый алюминат и браунмиллерит необходимы для образования жидкой фазы в процессе спекания (обжига) клинкера при высокой температуре в печи. Химия этих реакций не совсем ясна и все еще является объектом исследований.

Сначала известняк (карбонат кальция) сжигают для удаления углерода с образованием извести (оксида кальция) в ходе так называемой реакции кальцинирования. Эта единственная химическая реакция является основным источником глобальных выбросов углекислого газа.

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

Известь также реагирует с оксидом алюминия, образуя трикальцийалюминат.

На последнем этапе оксид кальция, оксид алюминия и оксид железа реагируют вместе с образованием браунмиллерита.

Менее распространенной формой цемента является негидравлический цемент, например гашеная известь (оксид кальция, смешанный с водой), который затвердевает в результате карбонизации при контакте с углекислым газом, присутствующим в воздухе (~ 412 об.% ≃ 0,04 об.%. Сначала оксид кальция (известь) получают из карбоната кальция (известняка или мела) путем прокаливания при температуре выше 825°C (1517°F) в течение примерно 10 часов при атмосферном давлении:

Затем оксид кальция тратится (гашится) путем смешивания его с водой для получения гашеной извести (гидроксида кальция):

Как только избыток воды полностью испаряется (этот процесс технически называется схватыванием), начинается карбонизация:

Эта реакция протекает медленно, поскольку парциальное давление углекислого газа в воздухе невелико (~ 0,4 миллибар). Реакция карбонизации требует, чтобы сухой цемент подвергался воздействию воздуха, поэтому гашеная известь является негидравлическим цементом и не может использоваться под водой. Этот процесс называется известковым циклом.

Возможно, самое раннее известное появление цемента датируется двенадцатью миллионами лет назад. Месторождение цемента образовалось после залегания горючих сланцев, расположенных рядом с пластом обожженного естественным путем известняка. Эти древние месторождения были исследованы в 1960-х и 1970-х годах.

Цемент, с химической точки зрения, представляет собой продукт, включающий известь в качестве основного связующего ингредиента, но это далеко не первый материал, используемый для цементирования. Вавилоняне и ассирийцы использовали битум (асфальт или смолу) для скрепления обожженного кирпича или алебастровых плит. В Древнем Египте каменные блоки скреплялись раствором из песка и грубо обожженного гипса (CaSO₄ · 2H₂O), представляющего собой парижский гипс, который часто содержал карбонат кальция (CaCO₃),

Известь (оксид кальция) использовалась на Крите и древними греками. Есть свидетельства того, что минойцы Крита использовали измельченные черепки керамики в качестве искусственного пуццолана для гидравлического цемента. Никто не знает, кто первым обнаружил, что сочетание гашеной негидравлической извести и пуццолана дает гидравлическую смесь (см. также: Пуццолановая реакция), но такой бетон использовался греками, в частности древними македонцами, а три столетия спустя на большом масштаб римских инженеров.

Существует… разновидность порошка, который по естественным причинам дает поразительные результаты. Его можно найти в окрестностях Бай и в местности, принадлежащей городам вокруг горы Везувий. Это вещество, смешанное с известью и щебнем, не только придает прочность зданиям других типов, но даже когда из него сооружают опоры в море, они твердеют под водой.

Греки использовали вулканический туф с острова Тера в качестве пуццолана, а римляне использовали измельченный вулканический пепел (активированные силикаты алюминия) с известью. Эта смесь может затвердевать под водой, повышая ее устойчивость к коррозии, такой как ржавчина. Материал был назван пуццоланом из города Поццуоли, к западу от Неаполя, где добывался вулканический пепел. Из-за отсутствия пуццоланового пепла римляне использовали вместо него измельченный кирпич или керамику и, возможно, использовали для этой цели измельченную плитку до того, как обнаружили природные источники недалеко от Рима. Огромный купол Пантеона в Риме и массивные термы Каракаллы являются примерами древних построек из этого бетона, многие из которых сохранились до сих пор. В обширной системе римских акведуков также широко использовался гидравлический цемент. Римский бетон редко использовался для внешней отделки зданий. Обычный метод заключался в использовании кирпичного облицовочного материала в качестве опалубки для заполнения из раствора, смешанного с совокупностью обломков камня, кирпича, черепков, переработанных кусков бетона или другого строительного мусора.

Легкий бетон был разработан и использован для строительства конструктивных элементов доколумбовыми строителями, которые жили в очень развитой цивилизации в Эль-Тахине недалеко от Мехико, в Мексике. Детальное изучение состава заполнителя и связующего показывает, что заполнитель представлял собой пемзу, а связующее — пуццолановый цемент, изготовленный из вулканического пепла и извести.

Сохранение этих знаний в литературе средневековья неизвестно, но средневековые каменщики и некоторые военные инженеры активно использовали гидравлический цемент в таких сооружениях, как каналы, крепости, гавани и судостроительные предприятия. Смесь известкового раствора и заполнителя с облицовочным материалом из кирпича или камня использовалась в Восточной Римской империи, а также на Западе в период готики. Немецкая Рейнская область продолжала использовать гидравлические растворы на протяжении всего Средневековья, имея местные месторождения пуццолана, называемые трассами.

Табби — это строительный материал, изготовленный из извести, песка и целых раковин устриц, образующих бетон. Испанцы завезли его в Америку в шестнадцатом веке.

Технические знания по производству гидравлического цемента были формализованы французскими и британскими инженерами в 18 веке.

Джон Смитон внес важный вклад в разработку цемента, планируя строительство третьего маяка Эддистона (1755–1759 гг.) В Ла-Манше, теперь известного как Башня Смитона. Ему нужен был гидравлический раствор, который закрепился бы и набрал некоторую силу за двенадцатичасовой период между последовательными приливами. Он проводил эксперименты с комбинациями различных известняков и добавок, включая трассс и пуццоланы, а также провел исчерпывающее исследование рынка доступных гидравлических извести, посещая их производственные площадки, и отметил, что «гидравличность» извести напрямую связана с содержанием глины в известняке. раньше это делал. Смитон был инженером-строителем по профессии и не пошел дальше этой идеи.

На южноатлантическом побережье Соединенных Штатов полосатый кот, использовавшийся из раковин устриц прежних индейских популяций, использовался при строительстве домов с 1730-х по 1860-е годы.

В Британии, в частности, качественный строительный камень становился все более дорогим в период быстрого роста, и стало обычной практикой возводить престижные здания из новых промышленных кирпичей и отделывать их штукатуркой, имитирующей камень. Для этого предпочитали гидравлическую известь, но потребность в быстром времени схватывания стимулировала разработку новых цементов. Самым известным был «римский цемент» Паркера. Он был разработан Джеймсом Паркером в 1780-х годах и окончательно запатентован в 1796 году. По сути, это был совсем не тот материал, который использовали римляне, а «природный цемент», полученный путем сжигания септарии — узелков, которые встречаются в определенных месторождениях глины и содержат как глинистые минералы, так и карбонат кальция. Обожженные узелки измельчались до мелкого порошка. Этот продукт, превращенный в раствор с песком, схватывался в течение 5–15 минут. Успех «римского цемента» побудил других производителей разработать конкурирующие продукты путем сжигания искусственных гидравлических известковых цементов из глины и мела. Римский цемент быстро стал популярным, но в 1850-х годах его по большей части заменил портландцемент.

Очевидно, не зная о работе Смитона, тот же принцип был выявлен французом Луи Вика в первом десятилетии девятнадцатого века. Вика разработал метод соединения мела и глины в однородную смесь и, обжигая ее, в 1817 году получил «искусственный цемент», который считался «главным предшественником» портландцемента, и «… Эдгар Доббс из Саутварка запатентовал цемент такого типа в 1811 году».

В России Егор Челиев создал новое вяжущее вещество, смешав известь и глину. Его результаты были опубликованы в 1822 году в его книге Трактат об искусстве приготовления хорошей ступки, изданной в Петербурге. Несколько лет спустя, в 1825 году, он опубликовал еще одну книгу, в которой описывались различные способы изготовления цемента и бетона, а также преимущества цемента при строительстве зданий и набережных.

Портландцемент, наиболее распространенный тип цемента, широко используемый во всем мире в качестве основного ингредиента бетона, строительного раствора, штукатурки и неспециализированного раствора, был разработан в Англии в середине 19 века и обычно производится из известняка. Джеймс Фрост примерно в то же время произвел то, что он назвал «британским цементом», аналогичным способом, но получил патент только в 1822 году. В 1824 году Джозеф Аспдин запатентовал аналогичный материал, который он назвал Портландцемент. , потому что рендер, сделанный из него, по цвету был похож на престижный портлендский камень, добытый на острове Портленд, Дорсет, Англия. Однако цемент Аспдинса не имел ничего общего с современным портландцементом, а был первым шагом в его развитии, названном прото-портландцементом. Сын Джозефа Аспдинса Уильям Аспдин покинул компанию своего отца и на своем производстве цемента, по-видимому, случайно в 1840-х годах производил силикаты кальция, что стало средним шагом в развитии портландцемента. Нововведение Уильяма Аспдина было нелогичным для производителей «искусственного цемента», поскольку им требовалось больше извести в смеси (проблема для его отца), гораздо более высокая температура в печи (и, следовательно, больше топлива), а полученный клинкер очень твердый и быстро становился твердым. изнашивались жернова, 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 открывало рынок для использования в бетоне. Использование бетона в строительстве быстро росло с 1850 года и вскоре стало доминирующим применением цемента. Таким образом, портландцемент начал играть доминирующую роль. Исаак Чарльз Джонсон усовершенствовал производство мезо-портландцемента (средняя стадия разработки) и заявил, что он был настоящим отцом портландцемента.

Время схватывания и «ранняя прочность» являются важными характеристиками цементов. Гидравлическая известь, «натуральный» цемент и «искусственный» цемент зависят от содержания в нем белита (2 CaO · SiO₂, сокращенно C₂S) для повышения прочности. Белите развивает силу медленно. Поскольку они были сожжены при температуре ниже 1250 °C (2280 °F), они не содержали алита (3 CaO · SiO₂, сокращенно C₃S), который отвечает за раннюю прочность современных цементов. Первый цемент, постоянно содержащий алит, был изготовлен Уильямом Аспдином в начале 1840-х годов: это было то, что мы сегодня называем «современным» портландцементом. Из-за атмосферы таинственности, которой Уильям Аспдин окружил свой продукт, другие (например, Викат и Джонсон) заявили о первенстве в этом изобретении, но недавний анализ как его бетона, так и сырого цемента показал, что Уильям Продукция Aspdin, произведенная в Нортфлите, Кент, представляла собой настоящий цемент на основе алита. Однако методы Аспдина были «практическим правилом»: Викат отвечает за установление химической основы этих цементов, а Джонсон установил важность спекания смеси в печи.

В США первым крупномасштабным применением цемента был цемент Розендейл, природный цемент, добываемый из огромного месторождения доломита, открытого в начале 19 века недалеко от Розендейла, штат Нью-Йорк. Цемент Rosendale был чрезвычайно популярен для фундамента зданий (например,, Статуи Свободы, Капитолия, Бруклинского моста) и облицовки водопроводных труб.
Цемент Сорель, или цемент на магнезиальной основе, был запатентован в 1867 году французом Станисласом Сорелем. Он был прочнее портландцемента, но его плохая водостойкость (выщелачивание) и коррозионные свойства (питтинговая коррозия из-за присутствия вымываемых хлорид-анионов и низкий уровень pH (8,5–9,5) поровой воды) ограничивали его использование в качестве железобетона для строительства. строительство.

Следующим событием в производстве портландцемента стало внедрение вращающейся печи. В результате получилась клинкерная смесь, которая была одновременно более прочной, поскольку при более высокой достигнутой температуре (1450 °C) образуется больше алита (C₃S), и более гомогенной. Поскольку сырье постоянно подается во вращающуюся печь, это позволило непрерывному производственному процессу заменить процессы серийного производства с меньшей производительностью.

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

В США после Первой мировой войны длительное время отверждения цемента Rosendale, составлявшее не менее месяца, сделало его непопулярным для строительства автомагистралей 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 Розендейла. Но в начале 1930-х годов строители обнаружили, что, хотя портландцемент схватывается быстрее, он не так прочен, особенно для автомагистралей — до такой степени, что в некоторых штатах перестали строить шоссе и дороги с использованием цемента. Бертрейн Х. Уэйт, инженер, чья компания помогала строить акведук Катскилл в Нью-Йорке, был впечатлен долговечностью цемента Rosendale и разработал смесь цемента Rosendale и портландцемента, которая имела хорошие свойства обоих. Он был очень прочным и имел гораздо более быстрое время схватывания. Уэйт убедил нью-йоркского комиссара по шоссейным дорогам построить экспериментальный участок шоссе недалеко от Нью-Палца, штат Нью-Йорк, используя один мешок Rosendale и шесть мешков портлендского цемента. Это имело успех, и на протяжении десятилетий смесь цемента Rosendale-Portland использовалась при строительстве бетонных дорог и бетонных мостов.

Цементирующие материалы используются в качестве матрицы для иммобилизации ядерных отходов уже более полувека. Технологии цементации отходов разработаны и внедрены в промышленных масштабах во многих странах. Формы цементных отходов требуют тщательного выбора и процесса проектирования, адаптированного к каждому конкретному типу отходов, чтобы соответствовать строгим критериям приемлемости отходов для долгосрочного хранения и утилизации.

Современное развитие гидравлического цемента началось с началом промышленной революции (около 1800 г.), вызванное тремя основными потребностями:

Современные цементы часто представляют собой портландцемент или смеси портландцемента, но в некоторых промышленных условиях используются и другие цементные смеси.

Портландцемент, разновидность гидравлического цемента, на сегодняшний день является наиболее распространенным типом цемента, широко используемым во всем мире. Этот цемент изготавливается путем нагревания известняка (карбоната кальция) с другими материалами (например, глиной) до 1450 °C (2640 °F) в печи в ходе процесса, известного как кальцинирование, при котором молекула диоксида углерода высвобождается из карбоната кальция в образуют оксид кальция или негашеную известь, которая затем химически соединяется с другими материалами в смеси с образованием силикатов кальция и других вяжущих соединений. Полученное твердое вещество, называемое «клинкером», затем измельчают с небольшим количеством гипса (CaSO₄·2H₂O) в порошок для изготовления обычного портландцемента, наиболее часто используемого типа цемента (часто называемого OPC).
Портландцемент является основным ингредиентом бетона, строительных растворов и большинства неспециализированных растворов. Наиболее распространенным применением портландцемента является производство бетона. Портландцемент может быть серым или белым.

Смеси портландцемента часто доступны в виде межмолотых смесей от производителей цемента, но аналогичные составы часто также смешиваются из измельченных компонентов на бетоносмесительном заводе.

Портландский доменный шлак цемент, или доменный цемент (номенклатура ASTM C595 и EN 197-1 соответственно), содержит до 95% молотого гранулированного доменного шлака, при этом остальное портлендский клинкер и немного гипса. Все составы обладают высоким пределом прочности, но по мере увеличения содержания шлака начальная прочность снижается, увеличивается сульфатостойкость и уменьшается тепловыделение. Используется как экономическая альтернатива портландсульфатным и низкотемпературным цементам.

Портланд-зола содержит до 40% летучей золы по стандартам ASTM (ASTM C595) или 35% по стандартам EN (EN 197–1). Летучая зола является пуццолановой, поэтому сохраняется предельная прочность. Поскольку добавление летучей золы позволяет снизить содержание воды в бетоне, можно сохранить раннюю прочность. Там, где доступна дешевая зола хорошего качества, она может быть экономической альтернативой обычному портландцементу.

Портланд-пуццолан включает цемент с золой-уноса, поскольку зола-уноса является пуццоланом, но также включает цементы, изготовленные из других натуральных или искусственных пуццоланов. В странах, где доступен вулканический пепел (например, в Италии, Чили, Мексике, Филиппинах), эти цементы часто являются наиболее распространенной формой использования. Максимальные коэффициенты замены обычно определяются как для цемента с портландской золой.

Портландцемент с микрокремнеземом. Добавление микрокремнезема может дать исключительно высокую прочность, и иногда производятся цементы, содержащие 5–20% микрокремнезема, причем 10% является максимально допустимой добавкой в ​​соответствии с EN 197–1. Однако микрокремнезем чаще добавляют в портландцемент в бетономешалке.

Кладочный цемент используется для приготовления кладочных растворов и штукатурки и не должен использоваться в бетоне. Обычно это сложные запатентованные составы, содержащие портландский клинкер и ряд других ингредиентов, которые могут включать известняк, гашеную известь, воздухововлекающие агенты, замедлители схватывания, гидроизоляционные вещества и красители. Они разработаны для получения работоспособных растворов, которые позволяют выполнять быстрые и последовательные работы по кладке. Небольшими вариациями каменного цемента в Северной Америке являются пластичный цемент и штукатурный цемент. Они предназначены для обеспечения контролируемого соединения с каменными блоками.

Расширяющиеся цементы содержат, помимо портландского клинкера, расширяющиеся клинкеры (обычно сульфоалюминатные клинкеры) и предназначены для компенсации эффектов усадки при высыхании, обычно встречающихся в гидравлических цементах. Этот цемент может использоваться для изготовления бетона для плит перекрытий (площадью до 60 м2) без усадочных швов.

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

Очень тонкоизмельченный цемент – это цемент, смешанный с песком, шлаком или другими минералами типа пуццолана, которые очень тонко измельчены. Такие цементы могут иметь те же физические характеристики, что и обычный цемент, но с содержанием цемента на 50% меньше, особенно потому, что площадь поверхности для химической реакции больше. Даже при интенсивном измельчении они могут использовать на 50% меньше энергии (и, следовательно, меньше выбросов углекислого газа) для производства, чем обычный портландцемент.

Пуццолан-известковый цемент представляет собой смесь молотого пуццолана и извести. Это цемент, который использовали римляне, и он присутствует в сохранившихся римских сооружениях, таких как Пантеон в Риме. Они развивают силу медленно, но их предельная сила может быть очень высокой. Продукты гидратации, обеспечивающие прочность, по существу такие же, как и в портландцементе.

Шлакоизвестковые цементы — молотый гранулированный доменный шлак — сами по себе не являются гидравлическими, а «активируются» добавлением щелочей, наиболее экономно используя известь. По своим свойствам они подобны пуццолановым известковым цементам. В качестве компонента цемента эффективен только гранулированный шлак (т.е. закаленный в воде стекловидный шлак).

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, при этом рост прочности аналогичен медленному портландцементу. Они проявляют хорошую устойчивость к агрессивным агентам, в том числе к сульфатам.

Алюминат кальция представляет собой гидравлический цемент, изготовленный в основном из известняка и боксита. Активные ингредиенты: алюминат монокальция CaAl₂O₄ (CaO · Al₂O₃ или CA в химике цемента обозначение, CCN) и майенит Ca₁₂Al₁₄O₃₃ (12 CaO · 7 Al₂O₃ или C₁₂A₇ в CCN). Прочность образуется за счет гидратации до гидратов алюмината кальция. Они хорошо приспособлены для использования в огнеупорных (жаропрочных) бетонах, например, для футеровки печей.

Цементы на основе сульфоалюмината кальция изготавливаются из клинкеров, в состав которых входит йэлимит (Ca₄(AlO₂)₆SO< sub>4 или C₄A₃S в обозначениях химика-цементиста) в качестве первичной фазы. Они используются в расширяющихся цементах, в цементах сверхвысокой ранней прочности и в «низкоэнергетических» цементах. Гидратация приводит к образованию эттрингита, а специальные физические свойства (такие как расширение или быстрая реакция) достигаются за счет регулирования доступности ионов кальция и сульфата. Их использование в качестве низкоэнергетической альтернативы портландцементу было впервые использовано в Китае, где производится несколько миллионов тонн в год. Потребность в энергии ниже из-за более низких температур печи, необходимых для реакции, и меньшего количества известняка (который должен быть эндотермически декарбонизирован) в смеси. Кроме того, более низкое содержание известняка и более низкий расход топлива приводят к выбросам CO₂ примерно вдвое меньше, чем при использовании портлендского клинкера. Однако выбросы SO₂ обычно значительно выше.

«Природные» цементы, соответствующие некоторым цементам допортлендской эпохи, производятся путем обжига глинистых известняков при умеренных температурах. Уровень содержания глинистых компонентов в известняке (около 30–35%) таков, что большие количества белита (минерала с низкой ранней прочностью и высокой поздней прочностью в портландцементе) образуются без образования избыточного количества свободной извести. Как и любой природный материал, такие цементы имеют весьма изменчивые свойства.

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

Полимерные цементы изготавливаются из органических химикатов, которые полимеризуются. Производители часто используют термореактивные материалы. Хотя они часто значительно дороже, из них можно получить водостойкий материал, обладающий полезной прочностью на разрыв.

Цемент Сорель — это твердый, прочный цемент, изготовленный путем соединения оксида магния и раствора хлорида магния.

Цемент с фиброй сеткой или бетон, армированный волокном, представляет собой цемент, состоящий из волокнистых материалов, таких как синтетические волокна, стеклянные волокна, натуральные волокна и стальные волокна. Этот тип сетки распределяется равномерно по влажному бетону. Целью волоконной сетки является уменьшение потерь воды из бетона, а также повышение его структурной целостности. При использовании в штукатурках волокнистая сетка повышает когезию, прочность на разрыв, ударопрочность и уменьшает усадку; в конечном счете, основная цель этих комбинированных свойств — уменьшить растрескивание.

Электрический цемент предлагается производить путем переработки цемента из отходов сноса зданий в электродуговой печи в рамках сталеплавильного процесса. Переработанный цемент предназначен для замены части или всей извести, используемой при производстве стали, в результате чего получается шлакоподобный материал, минералогия которого аналогична портландцементу, что устраняет большую часть связанных с этим выбросов углерода.

Цемент начинает схватываться при смешивании с водой, что вызывает ряд химических реакций гидратации. Компоненты медленно гидратируются, а минеральные гидраты затвердевают и твердеют. Сцепление гидратов придает цементу прочность. Вопреки распространенному мнению, гидравлический цемент не схватывается при высыхании — для правильного отверждения требуется поддержание соответствующего содержания влаги, необходимого для реакций гидратации во время процессов схватывания и затвердевания. Если гидравлические цементы высыхают во время фазы отверждения, полученный продукт может быть недостаточно гидратирован и значительно ослаблен. Рекомендуется минимальная температура 5 °C и не более 30 °C. Бетон в молодом возрасте должен быть защищен от испарения воды из-за прямого солнечного света, повышенной температуры, низкой относительной влажности и ветра.

Межфазная переходная зона (ITZ) — это область цементного теста вокруг частиц заполнителя в бетоне. В зоне происходит постепенный переход особенностей микроструктуры. Ширина этой зоны может достигать 35 микрометров.^: 351 Другие исследования показали, что ширина может достигать 50 микрометров. Среднее содержание непрореагировавшей клинкерной фазы уменьшается, а пористость уменьшается по направлению к поверхности заполнителя. Аналогично в ИТЗ увеличивается содержание эттрингита. ^: 352

На мешках с цементом обычно печатаются предупреждения о здоровье и безопасности, поскольку цемент не только сильно щелочной, но и процесс схватывания является экзотермическим. В результате влажный цемент является сильно едким (рН = 13,5) и может легко вызвать серьезные ожоги кожи, если его вовремя не смыть водой. Точно так же сухой цементный порошок при попадании на слизистые оболочки может вызвать серьезное раздражение глаз или дыхательных путей. Некоторые микроэлементы, такие как хром, из примесей, естественно присутствующих в сырье, используемом для производства цемента, могут вызывать аллергический дерматит. Восстановители, такие как сульфат железа (FeSO₄), часто добавляют в цемент для преобразования канцерогенного шестивалентного хромата (CrO₄^{2-) в трехвалентный. хром (Cr3+), менее токсичное химическое вещество. Пользователи цемента также должны носить соответствующие перчатки и защитную одежду.}

В 2010 году мировое производство гидравлического цемента составило 3300 мегатонн (3600×10^^{6< /sup> короткие тонны). В тройку крупнейших производителей вошли Китай с 1800, Индия с 220 и Соединенные Штаты с 63,5 миллиона тонн, что в общей сложности составляет более половины мирового объема по трем самым густонаселенным государствам мира.}

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 общемировых 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 замедлились до 8,3% и 4,2% соответственно.

Китай, представляющий растущую долю мирового потребления цемента, остается основным двигателем мирового роста. К 2012 году спрос в Китае был зафиксирован на уровне 2160 млн тонн, что составляет 58% мирового потребления. Годовые темпы роста, достигшие 16% в 2010 году, по-видимому, смягчились, замедлившись до 5–6% в 2011 и 2012 годах, поскольку экономика Китая нацелена на более устойчивый темп 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 в настоящее время является третьим по величине производителем цемента в мире и увеличил свое производство более чем на 10% с 2008 по 2011 год. Из-за роста цен на энергию в Пакистане и других крупных странах-производителях цемента Иран находится в уникальном положении как торговый партнер, используя собственные излишки нефти для питания клинкерных заводов. Теперь, будучи ведущим производителем на Ближнем Востоке, Иран продолжает укреплять свое доминирующее положение на местных рынках и за рубежом.

Результаты в Северной Америке и Европе в период 2010–2012 годов разительно контрастировали с показателями Китая, поскольку глобальный финансовый кризис перерос в кризис суверенного долга для многих экономик в этом регионе 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, а затем снова снизился на 1,1% в 2012 году.

Показатели в остальном мире, куда входят многие развивающиеся экономики Азии, Африки и Латинской Америки, и где спрос на цемент в 2010 году составил около 1020 млн тонн, были положительными и более чем компенсировали спад в Северной Америке и Европе. 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 отрасль насчитывала 5673 предприятия по производству цемента, включая как комплексные, так и помольные, из которых 3900 располагались в Китае и 1773 — в остальном мире.

В 2012 году общие мировые мощности по производству цемента составили 5245 млн тонн, из них 2950 млн тонн располагались в Китае и 2295 млн тонн в остальном мире.

«За последние 18 лет Китай последовательно 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 постоянно снижается. В 2002 году из Китая было экспортировано только 5,18 миллиона тонн. Китайский цемент, предлагаемый по цене 34 доллара за тонну, вытесняет себя с рынка, поскольку Таиланд просит всего 20 долларов за такое же качество».

По оценкам, в 2006 году Китай произвел 1,235 миллиарда тонн цемента, что составило 44% от общего мирового производства цемента. «Ожидается, что спрос на цемент в Китае будет расти на 5,4% ежегодно и превысит 1 миллиард тонн в 2008 году, что обусловлено медленным, но здоровым ростом расходов на строительство. Цемент, потребляемый в Китае, составит 44% мирового спроса, и Китай останется мировым лидером. крупнейшим национальным потребителем цемента с большим отрывом».

В 2010 году в мире было потреблено 3,3 миллиарда тонн цемента. Из них на долю Китая пришлось 1,8 млрд тонн.

Производство цемента оказывает воздействие на окружающую среду на всех этапах процесса. К ним относятся выбросы атмосферных загрязнений в виде пыли, газов, шума и вибрации при работе техники и при взрывных работах в карьерах, а также ущерб сельской местности от разработки карьеров. Широко применяется оборудование для снижения выбросов пыли при добыче полезных ископаемых и производстве цемента, все шире применяется оборудование для улавливания и отделения выхлопных газов. Защита окружающей среды также включает в себя реинтеграцию карьеров в сельскую местность после их закрытия путем возвращения их в природу или их рекультивации.

Концентрация углерода в цементе варьируется от ≈5% в цементных конструкциях до ≈8% в случае дорог из цемента. Производство цемента выбрасывает CO₂ в атмосферу как напрямую, когда нагревается карбонат кальция, образуя известь и углекислый газ, так и косвенно через использование энергии, если его производство связано с выбросами CO₂. Цементная промышленность производит около 10% мировых антропогенных выбросов CO₂, из которых 60% приходится на химический процесс и 40% на сжигание топлива. Исследование Chatham House, проведенное в 2018 году, оценивает, что 4 миллиарда тонн цемента, производимого ежегодно, составляют 8% мировых выбросов CO₂.

На каждые 1000 кг произведенного портландцемента выбрасывается около 900 кг CO₂. В Европейском Союзе с 1970-х годов удельное энергопотребление при производстве цементного клинкера сократилось примерно на 30%. Такое сокращение потребностей в первичной энергии эквивалентно примерно 11 миллионам тонн угля в год с соответствующими преимуществами в виде сокращения выбросов CO₂. На долю этого приходится примерно 5% антропогенного CO₂.

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

Чтобы сократить транспортировку более тяжелого сырья и минимизировать связанные с этим затраты, экономически выгоднее строить цементные заводы ближе к карьерам известняка, чем к центрам потребления.

По состоянию на 2019 год будут проведены испытания по улавливанию и хранению углерода, но его финансовая жизнеспособность сомнительна.

Гидратированные продукты портландцемента, такие как бетон и строительные растворы, медленно поглощают атмосферный газ CO2, который выделяется во время обжига в печи. Этот естественный процесс, обратный обжигу, называется карбонизацией. Поскольку он зависит от диффузии CO2 в объем бетона, его скорость зависит от многих параметров, таких как условия окружающей среды и площадь поверхности, подвергающейся воздействию атмосферы. Карбонизация особенно значительна на последних этапах жизни бетона – после сноса и дробления обломков. Было подсчитано, что в течение всего жизненного цикла цементной продукции она может реабсорбировать почти 30% атмосферного CO2, образующегося при производстве цемента.

Процесс карбонизации рассматривается как механизм деградации бетона. Он снижает pH бетона, что способствует коррозии арматурной стали. Однако, поскольку продукт карбонизации Ca(OH)2 – CaCO3 – занимает больший объем, пористость бетона снижается. Это увеличивает прочность и твердость бетона.

Существуют предложения по снижению выбросов углекислого газа от гидравлического цемента за счет использования для определенных применений негидравлического цемента, известкового раствора. Он реабсорбирует часть CO₂ во время затвердевания и требует меньше энергии при производстве, чем портландцемент.

Еще несколько попыток увеличить поглощение углекислого газа включают цементы на основе магния (цемент Сорел).

В некоторых случаях, в основном в зависимости от происхождения и состава используемого сырья, процесс высокотемпературного обжига известняка и глинистых минералов может выделять в атмосферу газы и пыль, богатые летучими тяжелыми металлами, например: наиболее токсичными являются таллий, кадмий и ртуть. Тяжелые металлы (Tl, Cd, Hg, …), а также селен часто встречаются в качестве микроэлементов в сульфидах обычных металлов (пирите (FeS₂), цинковой обманке (ZnS), галените (PbS)). , …) присутствуют в большинстве видов сырья в виде вторичных минералов. Во многих странах существуют экологические нормы, ограничивающие эти выбросы. По состоянию на 2011 год в США цементным печам «по закону разрешено выбрасывать в воздух больше токсинов, чем установкам для сжигания опасных отходов».

Присутствие тяжелых металлов в клинкере обусловлено как природным сырьем, так и использованием вторично переработанных побочных продуктов или альтернативного топлива. Высокий уровень pH, преобладающий в поровой воде цемента (12,5 < pH < 13,5), ограничивает подвижность многих тяжелых металлов за счет снижения их растворимости и увеличения их сорбции на минеральных фазах цемента. Никель, цинк и свинец обычно содержатся в цементе в значительных концентрациях. Хром также может образовываться непосредственно в виде естественных примесей из сырья или в качестве вторичного загрязнения в результате истирания твердых сплавов хромистой стали, используемых в шаровых мельницах при измельчении клинкера. Поскольку хромат (CrO₄^2-) токсичен и может вызывать тяжелую кожную аллергию при следовых концентрациях, его иногда восстанавливают до трехвалентного Cr(III) добавлением сульфата железа ( FeSO₄).

Цементный завод потребляет от 3 до 6 ГДж топлива на тонну произведенного клинкера, в зависимости от сырья и используемого процесса. Большинство цементных печей сегодня используют уголь и нефтяной кокс в качестве основного топлива и, в меньшей степени, природный газ и мазут. Отобранные отходы и побочные продукты с восстанавливаемой теплотворной способностью могут использоваться в качестве топлива в цементной печи (так называемая совместная переработка), заменяя часть обычного ископаемого топлива, такого как уголь, если оно соответствует строгим спецификациям. Отобранные отходы и побочные продукты, содержащие полезные минералы, такие как кальций, кремнезем, глинозем и железо, могут использоваться в качестве сырья в печи, заменяя такое сырье, как глина, сланец и известняк. Поскольку некоторые материалы содержат как полезные минералы, так и восстанавливаемую теплоту сгорания, различие между альтернативными видами топлива и сырьем не всегда четкое. Например, осадок сточных вод имеет низкую, но значительную теплотворную способность и сгорает с образованием золы, содержащей минералы, полезные в матрице клинкера. Отходы автомобильных и грузовых шин полезны при производстве цемента, поскольку они имеют высокую теплотворную способность, а железо, находящееся в шинах, полезно в качестве исходного сырья.^{: с. 27}

Клинкер производится путем нагревания сырья внутри основной горелки печи до температуры 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 клинкерной печи дают многочисленные преимущества и обеспечивают полное разрушение органических соединений, полную нейтрализацию кислых газов, оксидов серы и хлористого водорода. Кроме того, следы тяжелых металлов внедряются в структуру клинкера и не образуются побочные продукты, такие как зола или остатки.

Цементная промышленность ЕС уже использует более 40% топлива, полученного из отходов и биомассы, для обеспечения тепловой энергии в процессе производства серого клинкера. Хотя выбор так называемого альтернативного топлива (AF) обычно обусловлен затратами, другие факторы становятся все более важными. Использование альтернативных видов топлива приносит пользу как обществу, так и компании: выбросы CO₂ ниже, чем при использовании ископаемого топлива, отходы можно перерабатывать эффективно и устойчиво, а также существует спрос на определенные первичные материалы. можно уменьшить. Тем не менее, существуют большие различия в доле использования альтернативных видов топлива между государствами-членами Европейского Союза (ЕС). Социальные выгоды могут быть улучшены, если больше государств-членов увеличат свою долю альтернативных видов топлива. Исследование Ecofys оценило препятствия и возможности для дальнейшего внедрения альтернативных видов топлива в 14 странах-членах ЕС. Исследование Ecofys показало, что местные факторы ограничивают потенциал рынка в гораздо большей степени, чем техническая и экономическая осуществимость самой цементной промышленности.

Растущие экологические проблемы и рост стоимости ископаемого топлива привели во многих странах к резкому сокращению ресурсов, необходимых для производства цемента, а также отходов (пыли и выхлопных газов). Цемент с уменьшенной занимаемой площадью — это вяжущий материал, который соответствует или превосходит функциональные возможности портландцемента. Различные методики находятся в стадии разработки. Одним из них является геополимерный цемент, в состав которого входят переработанные материалы, что позволяет снизить потребление сырья, воды и энергии. Другой подход заключается в сокращении или прекращении производства и выбросов вредных загрязняющих веществ и парниковых газов, особенно CO₂. Еще один подход — переработка старого цемента в электродуговых печах. Кроме того, команда из Эдинбургского университета разработала процесс «DUPE», основанный на микробной активности Sporosarcina Pasteurii, бактерии, осаждающей карбонат кальция, которая при смешивании с песком и мочой может производить раствор. блоки с прочностью на сжатие 70% прочности бетона. Обзор экологически чистых методов производства цемента можно найти здесь.