Цемент

Ово је чланак о грађевинском материјалу. За чланак о делу зуба, погледајте Цемент (зуб)

Blue Circle Southern фабрика цемента у близини Берима, Нови Јужни Велс, Аустралија

Цементни прах, овде кондициониран у кеси, спреман за мешање са агрегатима и водом. Треба избегавати распршивање суве цементне прашине у ваздуху како би се избегли здравствени проблеми.

Цемент је хидрауличко минерално везиво које се добија млевењем тзв. портланд цементног клинкера - вештачког каменог материјала који се ствара печењем кречњака и глине, температура печења је 1350-1450°C. Енглески инжењер Joseph Aspdin патентирао је Портланд цемент 1824, а назван је по кречњачкој стени Острва Портланд у Енглеској због сличности боје. Поред портланд цементног клинкера, за чије се добијање користи мешавина кречњака и глине у односу 3:1 (однос маса), у цементу је редовно присутна и мања количина гипса (до 5%) који се додаје ради регулисања времена везивања цемента. Портланд цемент карактерише сразмерно константан хемијски састав и то: CaO (везан) 62-67%, SiO₂ 19-25%, Al₂O₃ 2-8%, Fe₂O₃ 1-5%, SO₃ највише 3-4.5%, CaO (невезан) највише 2%, MgO највише 5%, алкалије (Na₂O и K₂O) 0.5-1.3%. Цементи се у општем случају могу поделити на врсте и класе. Врсте представљају категорије цемената с обзиром на састав и технологију производње, док класе цемената означавају њихове механичке карактеристике. Деле се у две основне групе: на цементе на бази портланд цементног клинкера и на остале - специјалне врсте цемената.

Светска производња износи око четири милијарде тона годишње, од чега се око половине производи у Кини. Да је цементна индустрија земља, то би био трећи по величини емитер угљен диоксида на свету са до 2,8 милијарди тона, надмашили би га само Кина и Сједињене Државе. Почетна реакција калцинације у производњи цемента одговорна је за око 4% глобалних емисија ${\ce {CO2}}$. Целокупан процес одговоран је за око 8% глобалних емисија ${\ce {CO2}}$, јер се цементна пећ у којој долази до реакције обично ложи угљем или нафтним коксом услед светлећег пламена потребног за загревање пећи зрачењем топлоте. Као резултат, производња цемента је водећи фактор који доприноси климатским променама.

Хемија

Cement materials can be classified into two distinct categories: non-hydraulic cements and hydraulic cements according to their respective setting and hardening mechanisms. Hydraulic cements setting and hardening involve hydration reactions and therefore require water, while non-hydraulic cements only react with a gas and can directly set under air.

Хидраулични цемент

Clinker nodules produced by sintering at 1450 °C.

By far the most common type of cement is hydraulic cement, which hardens by hydration of the clinker minerals when water is added. Hydraulic cements (such as Portland cement) are made of a mixture of silicates and oxides, the four main mineral phases of the clinker, abbreviated in the cement chemist notation, being:

C₃S: Alite (3CaO·SiO₂);

C₂S: Belite (2CaO·SiO₂);

C₃A: Tricalcium aluminate (3CaO·Al₂O₃) (historically, and still occasionally, called celite);

C₄AF: Brownmillerite (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃).

The silicates are responsible for the cement's mechanical properties — the tricalcium aluminate and brownmillerite are essential for the formation of the liquid phase during the sintering (firing) process of clinker at high temperature in the kiln. The chemistry of these reactions is not completely clear and is still the object of research.

First, the limestone (calcium carbonate) is burned to remove its carbon, producing lime (calcium oxide) in what is known as a calcination reaction. This single chemical reaction is a major emitter of global carbon dioxide emissions.

CaCO₃ → CaO + CO₂

The lime reacts with silicon dioxide to produce dicalcium silicate and tricalcium silicate.

2CaO + SiO₂ → 2CaO·SiO₂

3CaO + SiO₂ → 3CaO·SiO₂

The lime also reacts with aluminum oxide to form tricalcium aluminate.

3CaO + Al₂O₃ → 3CaO·Al₂O₃

In the last step, calcium oxide, aluminum oxide, and ferric oxide react together to form cement.

4CaO + Al₂O₃ + Fe₂O₃ → 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃

Нехидраулични цемент

Калцијум оксид obtained by thermal decomposition of calcium carbonate at high temperature (above 825 °C).

A less common form of cement is non-hydraulic cement, such as slaked lime (calcium oxide mixed with water), hardens by carbonation in contact with carbon dioxide, which is present in the air (~ 412 vol. ppm ≃ 0.04 vol. %). First calcium oxide (lime) is produced from calcium carbonate (limestone or chalk) by calcination at temperatures above 825 °C (1,517 °F) for about 10 hours at atmospheric pressure:

CaCO₃ → CaO + CO₂

The calcium oxide is then spent (slaked) mixing it with water to make slaked lime (calcium hydroxide):

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Once the excess water is completely evaporated (this process is technically called setting), the carbonation starts:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

This reaction is slow, because the partial pressure of carbon dioxide in the air is low (~ 0.4 millibar). The carbonation reaction requires that the dry cement be exposed to air, so the slaked lime is a non-hydraulic cement and cannot be used under water. This process is called the lime cycle.

Цементи на бази портланд цементног клинкера

То су сви цементи који се производе млевењем портланд цементног клинкера. У ту групу спадају цементи који поред портланд цементног клинкера садрже и друге различите додаке који мењају својства портланд цемента у зависности од садржаја. Повећавањем ових додатака јасно ће се јаче испољити разлике између ових цемената и чистог портланд цемента. Иако чврстоће ових цемената у почетку су мање од чврстоћа чистог портланд цемента они углавном при већим старостима од 28 дана, надмашују те чврстоће. Због тога имају исте класе као и чист портланд цемент. Такође у зависности од садржаја ових додатака, мењају се и захтеви за количином воде, нарочито ако се као додатак појављују пуцолани.

Портланд цемент

Овај цемент нема других састојака осим оних који улазе у састав портланд цементног клинкера, изузев додатака гипса који је неопходан ради регулисања времена везивања. Ово је несумњиво најзначајнија врста цемента, пошто она представља основ за добијање већине других врста цемента. У светским оквирима од укупне производње свих цемената на портланд цемент отпада око 70%. Међутим код нас овај цемент учествује са свека 5%. Код нас је највећа производња цемената са додацима згуре и/или пуцолана. Специфична маса портланд цемента је најмање 3000 kg/m³, док му је специфична површина најмање 2400 cm²/g.

Портланд цемент са додатком згуре

Овај цемент се добија млевењем портланд цементног клинкера, гипса и највише 30% гранулисане згуре високих пећи. Карактерише се нешто смањеним релативним чврстоћама, али и порастом каснијих чврстоћа. То значи да овај цемент има нешто спорију хидратацију у односу на чист портланд цемент. Специфична маса му је по правилу нешто мања од 3000 kg/m³, док му је специфична површина већа од 2400 cm²/g.

Портланд цемент са додатком пуцолана

У овом цементу поред самлевеног портланд цементног клинкера и гипса, присутан је и известан додатак пуцолана који по нашим стандардима не прелази границу од 30%. Овај цемент карактерише спорије очвршћавање. Међутим крајње чврстоће после дугог временског периода су веће него код чистог портланд цемента. Једна од битних карактеристика је његова сразмерно ниска топлота хидратације.

Портланд цемент са мешаним додатком

У састав овог цемента поред портланд цемента и гипса улази и мешани додатак који се састоји од гранулисане згуре и природног или вештачког пуцолана.

Металуршки цемент

Овај цемент је у суштини портланд цемент са додатком згуре код кога садржај згуре износи преко 30%, овај садржај обично не прелази границу од 85%. Код метарлушког цемента су још јаче изражене особине спорије хидратације и мање специфичне масе. Овај цемент је отпорнији од портланд цемента на различита агресивна дејства. Он је постојан у водама које садрже хлориде, сулфате, алкалије, а такође показује и велику постојаност у морској води.

Пуцолански цемент

Портланд цемент са садржајем пуцолана од преко 30%, па је тиме код овог цемента још спорији процес хидратације, као и очвршћавања. Пуцолански цемент је отпоран на агресивно дејство морске воде.

Металуршки цемент са додатком пуцолана

У њему је присутно изнад 30% гранулисане згуре, док се садржај природног или вештачког пуцолана креће у границама од 5 до 40%.

Сулфатноотпорни цементи

Обичан портланд цемет није отпоран према деловању сулфата јер садржи значајан постотак минерала C₃A (понекад и до 15%). Да би се добио цемент отпоран према сулфатима, садржај C₃A у њему треба да је мали (до 5%) или да га уопште нема. Ово се углавном постже корекцијом сировине у смислу смањивања садржаја Al₃O₃, а повећања садржаја Fe₂O₃.

Специјалне врсте цемента

Алуминатни цемент

То је цемент који се добија жарењем мешавине кречњака и боксита уз додатак силицијумдиоксида и оксида гвожђа. Жарење се врши у специјалним електропећима на температури 1500-1550°C. После фине мељиве овако добијеног алуминатног клинкера добијени цемент се може одмах употребити. Осовни минерали који улазе у састав алуминатног цемента су:

• монокалцијумалуминат CA(CaO Al₂O₃) и C₂S. Садржај Al₂O₃ не сме да буде мањи од 35%, при чему однос Al₂O₃ према CaO мора да се креће у границама 0.90 до 1.15. Алуминатни цемент има црнкасту боју, има врло брз прираст чврстоће у току времена, тако да се после једног дана остварује око 80% чврстоће која одговара старости од 28 дана. То значи да има врло брзу хидратацију. Међутим, продукти хидратације овог цемента нису стабилни, већ током времена долази до њихове постепене прекристализације која има за последицу пад чврстоће. Алуминатни цемент је отпоран у морској води, у „мекој“ води, као и у сулфатним водама. Међутим он је неотпоран у водама које садрже алкалије. Не сме се мешати са кречом, као ни са портланд цементом, јер у таквој мешавини долази до убрзаног везивања и до значајног пада чврстоће у односу на чврстоћу чистог алуминатног цемента.

Суперсулфатни цемент

Овај цемент се добија финим млевењем гранулисане згуре (80-85%), анхидрата (10-15%) и извесне количине портланд цементног клинкера (до 5%). Одликује се великом финоћом млива (специфична површина је преко 4000 cm²/g) и врло ниском топлотом хидратације. И овај цемент тражи знатно већу количину воде за хидратацију. Отпоран је према деловању сулфата, као и према деловању морске воде, соне киселине, ланеног уља, фенола, разблажених раствора органских киселина идр. Овај цемент у Србији није стандардизован и производи се према поруџбини.

Експанзивни цемент

Ово је цемент у чијем саставу су садржане супстанце које током хидратације доводе до стварања одређених експанзија, па се у првих 10-15 дана, испољава значајно ширење цементног камена. Ова експанзија може да износи и до 25mm/m. Цементи овога типа се не производе у Србији.

Ознаке за цемент

У следећој табели дате су ознаке за цемент по европским стандардима.

Назив	Ознака
Портланд цемент	CEM I
Портланд цемент са додатком згуре	CEM II/A-S
	CEM II/B-S
Портланд цемент са додатком пуцолана	CEM II/A-P
	CEM II/A-Q
	CEM II/B-P
	CEM II/B-Q
Портланд композитни цемент	CEM II/A-M
	CEM II/B-M
Металуршки цемент	CEM III/A
	CEM III/B
	CEM III/C
Пуцолански цемент	CEM IV/A
	CEM IV/B
Композитни цемент	CEM V/A
	CEM V/B

Легенда уз табелу:

• A - учешће додатака од 6-20%
• B - учешће додатака 21-35%
• C - учешће додатака згуре 81-95%
• L - кречњак
• M - мешани додатак пуцолана и згуре
• P - природни пуцолан
• Q - активирани пуцолани
• S - згура високих пећи
• V - силикатни летећи пепео
• W - карбонатни летећи пепео

Фабрике цемента у Србији

На територији Србије постоје четири фабрике цемента:

Цементара Lafarge Беочин

Производи следеће врсте цемента:

• PC 42.5R
• PC 20M (S-L) 42.5R
• PC 20M (V-L) 42.5R
• PC 35M (V-L) 42.5N
• PC 35M (S-V-L) 32.5R

Цементара Titan Косјерић

Производи следеће врсте цемента:

• PC 20S 42.5N
• PC 20M (V-L) 42.5N
• PC 35M (V-L) 32.5R

Цементара Holcim Поповац

Производи следеће врсте цемента:

• PC 42.5R
• PC 35M (V-L-S) 42.5N
• PC 35M (S-L) 42.5R

Цементара Sharr Beteilgungs GmbH Ђенерал Јанковић Косово

• PC 52.5N
• PC 35M (P-W) 42.5N
• P55 30(P-W) 42.5N

Литература

• Грађевински материјали, Др Михаило Мурављов, дипл. инж.
• Основи теорије и технологије бетона, Др Михаило Мурављов, дипл. инж.
• Aitcin, Pierre-Claude (2000). „Cements of yesterday and today: Concrete of tomorrow”. Cement and Concrete Research. 30 (9): 1349—1359. doi:10.1016/S0008-8846(00)00365-3. 
• van Oss, Hendrik G.; Padovani, Amy C. (2002). „Cement manufacture and the environment, Part I: Chemistry and Technology”. Journal of Industrial Ecology. 6 (1): 89—105. doi:10.1162/108819802320971650. 
• van Oss, Hendrik G.; Padovani, Amy C. (2003). „Cement manufacture and the environment, Part II: Environmental challenges and opportunities” (PDF). Journal of Industrial Ecology. 7 (1): 93—126. CiteSeerX 10.1.1.469.2404 . doi:10.1162/108819803766729212. 
• Deolalkar, S. P. (2016). Designing green cement plants. Amsterdam: Butterworth-Heinemann. ISBN 9780128034354. OCLC 919920182. 
• Friedrich W. Locher: Cement : Principles of production and use, Düsseldorf, Germany: Verlag Bau + Technik GmbH, 2006, ISBN 3-7640-0420-7
• Javed I. Bhatty, F. MacGregor Miller, Steven H. Kosmatka; editors: Innovations in Portland Cement Manufacturing, SP400, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, U.S., 2004, ISBN 0-89312-234-3
• "Why cement emissions matter for climate change" Carbon Brief 2018
• Neville, A.M. (1996). Properties of concrete. Fourth and final edition standards. Pearson, Prentice Hall. ISBN 978-0-582-23070-5. OCLC 33837400. 
• Taylor, H.F.W. (1990). Cement chemistry. Academic Press. стр. 475. ISBN 978-0-12-683900-5. 
• Ulm, Franz-Josef; Roland J.-M. Pellenq; Akihiro Kushima; Rouzbeh Shahsavari; Krystyn J. Van Vliet; Markus J. Buehler; Sidney Yip (2009). „A realistic molecular model of cement hydrates”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (38): 16102—16107. Bibcode:2009PNAS..10616102P. PMC 2739865 . PMID 19805265. doi:10.1073/pnas.0902180106. 

Спољашње везе

• ИнфоБЕТОН, грађевниски портал
• „Cement”. Encyclopædia Britannica (на језику: енглески). 5 (11 изд.). 1911.