Как приготовить цементный раствор самостоятельно

Строительные смеси на основе цемента находят широчайшее применение для выполнения различных технологических операций. Ими скрепляют кирпич и блоки при стеновой кладке, производят отделку конструкций, заливают стяжки пола — полный список займет не одну страницу печатного текста.

Для приведения их в рабочее состояние в них добавляют воду, из-за чего и возник термин «раствор». Его главной фишкой является соотношение весовых частей ингредиентов смеси. От этого напрямую зависит, например, насколько прочным будет стена дома или слой штукатурки. 

Сегодня мы расскажем вам о том, как самому приготовить цементный раствор для различных видов работ. Эта информация пригодится вам даже в том случае, если вы предпочитаете покупать готовые смеси — по меньшей мере, вы будете делать это осознанно.

Цемент и его основные свойства

То, что принято называть цементом, является продуктом обжига известняков, смешанных с глиной — клинкера, который на последней стадии производства размалывается в пылевидную субстанцию.

Он на 60-70 % состоит из трехкальциевого силиката (Cа₃SiO₅), называемого алитом. Его основным свойством является способность переходить в кристаллическое состояние в присутствии воды и с ее поглощением. Этот процесс называется реакцией гидратации, идущей с небольшим выделением тепла — оно и позволяет производить кладку стен даже при умеренных отрицательных температурах воздуха.

Реакция гидратации является необратимой. Кристаллы, полученные в ее ходе, становятся не только прочными, но и химически инертными. Обычно она заканчивается на 21-28 день — этот предел называется сроком набора прочности. После этого кладка стен, штукатурный слой или стяжка пола может эксплуатироваться без ограничений. 

Цемент производится по разным технологиям и рецептурам. От этого зависит его марка. Для его обозначения используется буквенная литера (в нашей стране это М) и цифра. Чем выше значение, тем большую нагрузку на сжатие выдерживает 1 см

3 кристаллического кальцита, полученного в результате поглощения воды клинкером. Например, М50 — это рабочее давление 50 кг на см². А М400, соответственно, 400 кг на см².

Виды и свойства цементных растворов

В чистом виде цемент не используется по двум причинам:

1. Это слишком дорого.

2. В процессе гидратации он уменьшается в объеме в два-три раза, как минимум. Из-за чего скрепляемые им конструкции могут разрушиться или деформироваться.

Для компенсации этих негативных факторов цемент смешивается с балластным веществом, называемым наполнителем. При этом он сам считается связующим или вяжущим, потому что в контакте с водой алит активируется и происходит его поверхностная диффузия с окружающими его веществами. 

То, что принято называть раствором есть смесь из трех (как минимум) ингредиентов: цемент + балласт + вода. Последнее является активатором. В сухом виде смесь может храниться годами, но срок этот уменьшается из-за свойства гигроскопичности — способности поглощать воду из воздуха.

В качестве наполнителя для кладочных работ в цемент добавляют песок с размером фракций 1,5-1,7 мм. Его добывают в карьерах. Более мелкий речной для таких целей непригоден, поскольку он не обеспечивает нужной механической сцепляемости компонентов смеси.

Еще одним предназначением наполнителя является приближение физических свойств вяжущего к тем, что обладают скрепляемые им вещества. Например, песок имеет те же показатели теплового расширения, что и кирпич. Что делает конструкцию монолитной после окончания реакции гидратации.

Свойства раствора зависят от соотношения частей. В основном, от количества наполнителя и связующего. По этому признаку они бывают трех видов:

1. Жирные. 

2. Нормальные.

3. Тощие.

Жирные растворы, в которых соотношение вяжущего и наполнителя 1:1 или 1:3, применяются лишь для обмазочных работ и то по арматурной сетке. Потому что в процессе отверждения они сильно усаживаются и трескаются. С кельмы или лопаты они сходят плохо, оставаясь на ней в большом количестве.

Нормальное соотношение — это пропорции от 1:4 до 1:6. Такие растворы применяют для кладки стен и других конструктивных элементов. А также настенной и напольной плитки. При сходе с кельмы они оставляют на ней заметные, но небольшие по толщине следы.

Тощие растворы — от 1:8 и большим количеством наполнителя. Их применяют для оштукатуривания и формирования покрытий, не несущих больших нагрузок. На металле они практически не оставляют следов.

Цементные растворы так же маркируются. Это зависит от соотношения весовых частей. Чем больше балласта, тем ниже марка. Например, на одну весовую часть цемента М300 добавляем три весовых части песка — получаем раствор М75.  

При выборе марки раствора надо учитывать предстоящие условия эксплуатации и тип конструкции. Для кладки стен коттеджа из силикатного кирпича в большей степени подходит сорт М75. Для обожженного клинкера — М100. Марки с цифрами свыше ста применяются в индустриальном домостроении, и при возведении многоэтажных зданий.

Замешивание растворов и роль воды в нем

Все ингредиенты цементно-песчаной смеси должны быть равномерно распределены по объему, в противном случае есть риск получить массу, состоящую из нескольких марок раствора. Например, вы можете начать класть стену тощим раствором, а закончить жирным. Конечно же, это не способствует высокой прочности конструкции. Поэтому тщательность замешивания — не менее важный фактор, чем подбор соотношения весовых частей.

При небольших объемах — до 10 литров, это можно делать вручную. Лучший результат дают электрифицированные миксеры — это может быть как специализированный инструмент, так и насадки на дрель, шуруповёрт.

При объемах свыше ста литров лучше всего использовать так называемые бетономешалки — емкости, вращаемые электромотором.

При выборе потребного количества раствора надо исходить из вашей возможности освоить его за время жизни, которое обычно равно 2-3 часа. Однако стоит учитывать, что это к этому моменту он превращается в камень. Срок же, в течение которого цемент еще можно разложить, разровнять и положить на него кирпич с уверенностью, что они схватятся, гораздо меньше — не более получаса.

Вода играет ключевую роль в формировании цементного камня. Она является активатором реакции гидратации, в ходе которой растут кристаллы кальцита. Если ее будет мало, то не вся масса раствора будет включена в процесс, масса не наберет прочности, останется рыхлой. 

Кроме того, малая степень смачивания приведет к тому, что цемент не прилипнет к кирпичу или степень его адгезии будет недостаточной. Для компенсации такого явления практикуется смачивание красного керамического кирпича перед началом кладки, что обеспечивает его лучшее сцепление с раствором.

При кладке печей вообще рекомендуется вымачивание кирпича с его полным погружением до прекращения выделения пузырьков воздуха.

Чрезмерное количество воды так же опасно. Во-первых, вы не получите нужной консистенции раствора — он должен не стекать с кельмы, а лишь соскальзывать с нее при приложении небольшого усилия, практически не изменяя формы. Во-вторых, при работе в межсезонье и высокой вероятности заморозков, вода, не вступившая в реакцию и оставшаяся в кладке, замерзнет и разорвет ее.

d

Запомните, вода добавляется в раствор малыми порциями по мере замешивания. Только это является гарантией того, что вы достигнете требуемой консистенции.

Фактор, влияющий на применимость цементного раствора

Есть еще одно свойство цементного раствора, которое надо учитывать. Это его пластичность, также называемая «укладываемость». Если приготовленная смесь «черствая», то ее очень неудобно раскладывать, она практически не прилипает к кирпичу.

Пластичность определяется опытным путем. Для этого в раствор опускают металлический конус весом 0,3 кг. После чего измеряют глубину погружения. Для красного полнотелого кирпича оптимальным является значение 15 см, причем летом пластичность лучше делать чуточку большей.

Этот параметр можно регулировать двумя способами:

1. Добавлением воды сверх нормы.

2. Вводом в наполнитель пластификаторов.

Они оба требуют большого практического опыта. В качестве пластификатора можно использовать гашеную известь. Некоторые каменщики используют даже стиральный порошок. Однако лучшим вариантом является применение готовых пластификаторов заводского производства.

Если при кладке кирпича пластичность желательна, но не так уж и важна, то при штукатурных работах она крайне необходима. В некоторых случаях в раствор вводят синтетические смолы (акрил) и добавляют армирующие волокна для  получения декоративного эффекта.

Готовые строительные смеси — решение всех проблем

Самостоятельно приготовление цементных растворов требует большого практического опыта и профессиональных навыков. Поэтому индивидуальным застройщикам лучше пользоваться готовыми смесями с известными и заданными свойствами. Залогом успеха является скрупулезное следование инструкции по применению от производителя. 

Приготовление цементного раствора — О цементе инфо

17.01.2016 Виды бетонных смесей Оставить комментарий 4,975 Просмотров

Цемент – это один из главных строительных материалов. Цементный раствор используется в штукатурных и кладочных работах, при производстве бетона и бетонных изделий. Также он входит в состав разных сухих смесей и строительных клеев.

Схема приготовления и укладки бетонной смеси.

Важно при работе с раствором цемента соблюдать точные пропорции строительных смесей и других компонентов, входящих в состав изготовляемого продукта.

Соблюдение требуемых пропорций обеспечивает экономию цемента и прочность продукта.

Качественный продукт цементной массы можно приготовить самостоятельно, если требуется небольшое его количество, например, для строительства дома, ремонта или работ на приусадебном участке. На широкомасштабных производственных объектах применяются специальные смесители и мешалки, помогающие получить цементный раствор в достаточно больших количествах, необходимых для работы.

Содержание:

Марка раствора

Таблица соотношения цемента, песка и щебня.

Прежде чем приступить к изготовлению цементно-песчаного раствора, следует научиться определять его марку. Расчет производится довольно просто: марка цемента делится на количество песка.

Например, чтобы приготовить смесь из марки 100 при наличии цемента марки 400, пропорциональное соотношение цемента к песку должно составлять 1 к 4. То есть 1 ведро сухого цемента на 4 ведра песка. Затем туда добавляется четверть ведра воды и все тщательно перемешивается. В конце надо налить оставшуюся воду и еще раз все хорошо перемешать. Количество воды зависит от влажности песка и желаемой консистенции цементного раствора.

Профессионалы советуют использовать просеянный речной песок, так как он наиболее чистый и больше подходит для связки компонентов. А карьерный песок использовать в данном замесе не рекомендуется, потому что в таком песке имеется довольно большое содержание глины. Это придает растворам цемента излишнюю пластичность и снижает их прочность, которая становится очевидной со временем.

Материалы для замешивания

Используют следующие материалы:

• чистую воду;
• моющие средства;
• песок;
• цемент;
• различные добавки для цветного шва.

Схема наполнителей для бетонной смеси.

1. Для строительства жилых домов желательно использовать чистую воду из-под крана, скважин, можно взять воду из реки или озера. Не допускается, хотя на практике порой и используется вода дождевая и вода, содержащая различные примеси, например, технические масла. Но вода с различными техническими добавками чаще применяется при строительстве производственных сооружений, станций и мостов.
2. В последнее время профессионалы добавляют в готовящуюся массу различные моющие средства, кроме чистящих средств. Например, стиральный порошок, жидкое хозяйственное мыло, шампунь и средство для мытья посуды. Данное открытие помогает строителям добиться эластичности и не позволяет смеси осесть, но надо знать и меру добавления средства. Если налить слишком много моющего в замес, то в нем появляется лишний воздух.
3. Для приготовления качественных растворов из цемента рекомендуется использовать чистый песок речного происхождения. Если применяется карьерный песок, то лучше всего использовать песок намывной, он не содержит глины и камней или их содержание там очень маленькое. Карьерный песок хорошо подходит для забутовочной кладки и подсыпки.
4. Приготовление материала соответствующего свойства полностью зависит от качества цемента с правильно подобранной маркой. По направленности строительных работ определяется консистенция цементно-песчаного раствора и марка используемого цемента. Если раствор цемента получается слабым для проводимой работы, то в него требуется добавить на один замес больше сухого цементного порошка.
5. При желании можно сделать цветной лицевой шов, ведь в темном цвете он выглядит контрастнее и красивее. Для этого при приготовлении цементно-песчаного раствора добавляется графит или сажа. Но здесь есть свои минусы: цветной шов в течение ближайших 10 лет выгорает под солнцем и вымывается дождями. А также снижается качество цементной смеси, оно становится более слабым и хрупким. Хотя можно использовать и более стойкие красители, например, чтобы добиться более темного цвета лицевого шва, достаточно будет сделать марку раствора выше, то есть 1 к 3.

Приготовление смеси

Известно большое количество способов приготовления раствора цементного. Наиболее распространенный и простой способ, которым в основном пользуются строители, известен многим.

Для этого потребуются:

• вода;
• моющее средство;
• песок;
• цемент.

Схема приготовления бетонной смеси.

Вначале следует залить воды в мешалку. Лучше всего воду рассчитывать по количеству цемента. Например, если требуется для замеса 1 ведро цемента, то воды надо будет тоже 1 ведро. При замесе цементно-песчаного раствора лучше брать воды чуть меньше положенной нормы, чтобы он не получился жидким. Да и песок с цементом смешиваются значительно быстрее в жидком состоянии. Воды понадобится значительно меньше, если песок влажный.

При добавлении в мешалку последних ингредиентов – песка и цемента – остаток воды доливается на глаз, то есть густота цементного раствора регулируется в конце замеса. Если вода была случайно перелита в мешалку, то надо будет добавить немного цемента и песка с обязательным поддержанием пропорций данной марки цементного раствора.

Схема определения пластичности бетонного раствора.

Моющее средство добавляется в мешалку после воды, так оно хорошо вспенится и растворится. Сколько потребуется средства, определить трудно, но примерно на 1 часть замеса уходит от 50 до 100 г моющегося. Если средство добавлять в конце замеса, то в замесе оно растворится плохо и сама масса будет не такой эластичной. После полного растворения моющегося средства в готовящийся продукт добавляется половина песка и все хорошо замешивается.

Теперь следует засыпать всю норму сухого цемента, подождать несколько минут, пока цемент не перемешается полностью с водой и песком. И в конце засыпается оставшаяся часть песка. При необходимости можно добавить воду. Раствор цементный полностью замешивается еще 5 минут. В итоге должен получиться не слишком густой и не слишком жидкий цементный раствор.

Приготовление при минусовой температуре

Самая большая проблема в приготовлении строительного массы зимой – замерзший песок. Поэтому лучше всего песок для работы заготовить заранее. В мешалку желательно заливать горячую воду, в этом случае цемент в массе остывает значительно дольше.

Помимо всех известных компонентов, которые входят в готовый продукт, зимой следует добавлять поташ. Эта жидкость дает возможность не замерзнуть готовой массе. Минусовая температура на прочность цементного раствора без добавок химических компонентов никак не сказывается и качество работы от этого не страдает.

Понравилось? Поделись

Предыдущий Строительство мелкозаглубленного ленточного фундамента на глине

Следующая запись Обеспечиваем загородный участок системой полива

Q&A: Почему выбросы цемента имеют значение для изменения климата

Если бы цементная промышленность была страной, она была бы третьим по величине источником выбросов в мире.

В 2015 году было произведено около 2,8 млрд тонн CO2, что эквивалентно 8 % от общего объема выбросов в мире – больше, чем в любой другой стране, кроме Китая или США.

Использование цемента будет расти, поскольку глобальная урбанизация и экономическое развитие увеличивают спрос на новые здания и инфраструктуру. Цементная промышленность, как и другие отрасли мировой экономики, должна будет резко сократить свои выбросы, чтобы достичь температурных целей Парижского соглашения. Однако до сих пор был достигнут лишь ограниченный прогресс.

• Что такое цемент?
• Почему цемент выделяет так много CO2?
• В каких странах высокие выбросы цемента?
• Уменьшились ли выбросы цемента?
• Насколько можно сократить выбросы цемента?

• Могут ли «новые» цементы сократить выбросы?
• Каковы барьеры для низкоуглеродистых цементов?
• Можно ли снизить спрос на цемент?
• Регулируются ли выбросы цемента?
• Цементная промышленность принимает меры?

 

Снижение выбросов при производстве цемента. Инфографика Розамунд Пирс для Carbon Brief.

Что такое цемент?

Цемент используется в строительстве для связывания других материалов. Он смешивается с песком, гравием и водой для производства бетона, наиболее широко используемого строительного материала в мире. Ежегодно используется более 10 миллиардов тонн бетона.

Промышленным стандартом является портландцемент. Он был изобретен в начале 1800-х годов и назван в честь строительного камня, широко использовавшегося в то время в Англии. Используется в 9Сегодня в мире производится 8% бетона, ежегодно производится 4 млрд тонн.

Производство портландцемента, который действует как связующее, является важным этапом в производстве портландцемента. Известняк (CaCO3) «прокаливается» при высоких температурах в цементной печи для получения извести (CaO), что приводит к выбросу CO2 в виде отходов. В целом происходит следующая реакция:

Почему цемент выделяет так много CO2?

Около половины выбросов при производстве цемента являются технологическими выбросами, возникающими в результате реакции, описанной выше. Это основная причина, по которой выбросы цемента часто считаются трудными для сокращения: поскольку этот CO2 высвобождается в результате химической реакции, его нельзя устранить путем замены топлива или повышения эффективности.

Еще 40% выбросов цемента приходится на сжигание ископаемого топлива в печах для нагрева до высоких температур, необходимых для этого процесса обжига. Последние 10% выбросов происходят от топлива, необходимого для добычи и транспортировки сырья.

Таким образом, выбросы цемента в значительной степени зависят от доли клинкера, используемого в каждой тонне цемента. Тип топлива и эффективность оборудования, используемого при производстве клинкера, также оказывают влияние.

Между тем, по прогнозам, площадь зданий в мире удвоится в ближайшие 40 лет. Это означает, что к 2030 году производство цемента вырастет примерно до 5 млрд тонн, что на 25% больше, чем сегодня, и достигнет более чем в четыре раза 1990 уровней.

Таким образом, одного лишь повышения эффективности будет недостаточно для значительного сокращения выбросов в секторе.

В каких странах высокие выбросы цемента?

Китай является крупнейшим производителем цемента, за ним следует Индия и объединенные страны ЕС, как показано на приведенном ниже графике из недавнего отчета Chatham House. Три четверти производства цемента с 1990 года приходилось на Китай, который в период с 2011 по 2013 год использовал больше цемента, чем США за весь 20 век.

Производство цемента и выбросы с 2010 по 2015 гг. Источник: Анализ Olivier et al. (2016) от Chatham House.

В Китае также наблюдается высокий уровень производства цемента в пересчете на душу населения, поскольку в стране происходит стремительная урбанизация, когда многие люди переезжают в высотные или малоэтажные здания, построенные из цемента. Тем не менее, потребление в Китае может быть близко к выравниванию.

Потребление в Индии, напротив, значительно возрастет, поскольку страна, в свою очередь, быстро урбанизируется и строит инфраструктуру. Ожидается, что наибольший рост в будущем произойдет в Индии и других странах с формирующимся рынком.

Мужчина поднимает поддон с цементом на строительные леса, Пенджаб, 2011 г. Фото: imageBROKER/Alamy Stock Photo.

По данным Chatham House, в Европе существующие печи способны удовлетворить будущий спрос на цемент. Европейские производители цемента также являются одними из самых передовых с точки зрения использования альтернативных видов топлива. Однако более старое оборудование отстает от Индии и Китая по энергоэффективности.

Точно так же США, четвертый по величине потребитель цемента, отстает от других крупных производителей с точки зрения энергоэффективности и доли клинкера.

Уменьшились ли выбросы цемента?

По данным Chatham House, средняя интенсивность выбросов CO2 при производстве цемента — выбросы на тонну продукции — снизилась на 18 % во всем мире за последние несколько десятилетий. Однако выбросы в секторе в целом значительно возросли, а спрос утроился с 1990 года.

До сих пор прогресс был достигнут в трех основных областях. Во-первых, более эффективные печи для обжига цемента сделали производство менее энергоемким. Это может улучшиться еще больше: среднее мировое потребление энергии на тонну цемента по-прежнему примерно на 20% выше, чем производство с использованием наилучших доступных технологий и практики.

Во-вторых, использование альтернативных видов топлива также позволило снизить выбросы – например, использование биомассы или отходов вместо угля. Это особенно характерно для Европы, где около 43% потребления топлива в настоящее время приходится на альтернативы, сообщает Chatham House.

В-третьих, сокращение доли портландцемента в цементе также привело к сокращению выбросов. По данным Chatham House, цементы с высоким содержанием смесей могут сократить выбросы на килограмм до четырех раз. Клинкер можно заменить другими цементоподобными материалами, в том числе отходами от сжигания угля и производства стали. Однако это может повлиять на свойства цемента, поэтому подходит только для некоторых конечных целей.

Среднее мировое соотношение клинкера (клинкер:цемент) упало до 0,65 в 2014 году с большим диапазоном от 0,57 в Китае до 0,87 в Евразии.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), после нескольких десятилетий прогресса интенсивность выбросов CO2 в цементе мало изменилась с 2014 по 2016 год. Это связано с тем, что повышение энергоэффективности было компенсировано небольшим увеличением доли клинкера.

Тем не менее, общие выбросы цемента в последние годы оставались неизменными или снижались по мере стабилизации спроса в Китае.

BioMason использует бактерии для выращивания цементных кирпичей, которые, по ее словам, могут связывать углерод. Предоставлено: bioMASON, Inc.

Насколько можно сократить выбросы цемента?

МЭА и отраслевая инициатива Cement Sustainability Initiative (CSI) недавно выпустили новую дорожную карту по снижению выбросов углерода, показывающую, как, по их мнению, выбросы могут быть сокращены в соответствии со сценарием «2C» и сценарием «ниже 2C». В дорожной карте предполагается, что к 2050 году спрос на цемент вырастет на 12-23%. необходимы выбросы цемента. (Стоит отметить, что это не соответствует Парижскому соглашению, которое призывает к тому, чтобы повышение температуры оставалось как минимум «намного ниже» 2°C.)

Дорожная карта основана на четырех направлениях действий по сокращению выбросов.

Три из них представляют собой стратегии, ранее применявшиеся цементной промышленностью для ограничения выбросов, а именно: повышение энергоэффективности, использование топлива с низким уровнем выбросов и более низкое содержание клинкера.

Например, дорожная карта устанавливает целевое среднее глобальное соотношение клинкера к 2050 году на уровне 0,60 вместо 0,65. Это серьезная проблема: Chatham House отмечает, что к 2050 году потребуется примерно на 40% больше заменителей клинкера, чем сегодня, в то время, когда доступность традиционных заменителей — летучей золы и доменного шлака — вероятно, начнет падать.

Четвертая область – это «инновационные технологии», что по сути означает сокращение выбросов с помощью улавливания и хранения углерода (CCS). Это еще не использовалось в цементной промышленности (испытания стержней), но дорожная карта предполагает, что интеграция УХУ в цементном секторе достигнет коммерческого масштаба к 2030 году. Неопределенность в отношении потенциала быстрого расширения УХУ и его высокая стоимость являются основными барьеры на пути его использования для сокращения выбросов бетона.

На приведенной ниже диаграмме показан анализ Chatham House дорожной карты производства цемента IEA и CSI. Красная пунктирная линия показывает сокращение выбросов на 24% в соответствии со сценарием 2C (2DS) к 2050 г.

Способы сокращения выбросов цемента, ведущие к пути, совместимому с Парижем. Показаны три сценария: «сценарий эталонной технологии» (RTS), «сценарий 2C» (2DS) и «сценарий за пределами 2C» (B2DS). Источник: анализ Chatham House, подготовленный IEA и CSI Technology Roadmap (2018 г.).

В дорожной карте также изложен сценарий «выше 2C» (B2DS; фиолетовая пунктирная линия вверху), в соответствии с которым потребуется гораздо более высокое сокращение выбросов на 60%. В дорожной карте говорится, что здесь доля общих выбросов CO2 от цемента, улавливаемых CCS, должна увеличиться более чем в два раза по сравнению со сценарием 2C, до 63% в 2050 году. Он отмечает, что этого «будет сложно достичь».

Chatham House также отмечает, что потребуются более резкие сокращения, «если предположения о вкладе технологий CCS окажутся оптимистичными». В нем говорится:

«Для выхода за пределы 2DS потребуются преобразующие действия по замене клинкера, новым цементам и CCS, а также развертывание множества подходов со стороны спроса за пределами сектора для снижения общего потребления. Они также становятся более важными, если CCS оказывается слишком сложным для масштабирования».

Могут ли «новые» цементы сократить выбросы?

Некоторые компании исследуют «новые» цементы, которые полностью устраняют необходимость в портландклинкере. Если бы они могли соперничать по стоимости и характеристикам с портландцементом, они бы предложили способ значительного сокращения выбросов.

Однако ни один из них еще не получил широкомасштабного коммерческого использования и в настоящее время используется только в нишевых приложениях. Кроме того, инновации в этом секторе, как показывает глобальный патентный поиск, проведенный Chatham House, обычно сосредоточены на постепенных изменениях, с ограниченным вниманием к новым цементам.

Цементы на основе геополимеров, например, находятся в центре внимания исследований с 1970-х годов. В них не используется карбонат кальция в качестве ключевого ингредиента, они затвердевают при комнатной температуре и выделяют только воду. Zeobond и banahUK входят в число компаний, производящих их, и обе заявляют о сокращении выбросов примерно на 80-90% по сравнению с портландцементом.

Есть также несколько фирм, разрабатывающих цементы «углеродного отверждения», которые при затвердевании поглощают CO2, а не воду. Если это поглощение CO2 может быть сделано выше, чем CO2, выделяемый во время их производства, цементы потенциально могут использоваться в качестве поглотителей углерода.

Шлакоблок Solidia Concrete™. Фото: Solidia

Американская фирма Solidia, например, утверждает, что ее бетон выделяет на 70% меньше CO2, чем портландцемент, включая эту стадию секвестрации. В настоящее время фирма сотрудничает с крупным производителем цемента LafargeHolcim.

Точно так же британский стартап Novacem, дочерняя компания Имперского колледжа Лондона, заявил в 2008 году, что замена портландцемента его «углеродно-отрицательным» продуктом позволит отрасли стать чистым поглотителем выбросов CO2. Однако фирме не удалось собрать достаточно средств для продолжения исследований и производства.

Другие фирмы используют совершенно другие материалы для производства цемента. Стартап Biomason из Северной Каролины, например, использует бактерии для выращивания цементных кирпичей, которые, по его словам, обладают такой же прочностью, что и традиционная каменная кладка, и улавливают углерод.

В приведенной ниже таблице от Chatham House обобщены этапы развития нескольких альтернативных технологий производства цемента.

Низкоуглеродистые цементы на разных стадиях инновационного цикла. Источник: Чатем-Хаус (2018 г.).

Каковы барьеры для низкоуглеродистого цемента?

Существует несколько причин, по которым малоклинкерные или новые цементы до сих пор не получили широкого распространения.

Эти технологии менее опробованы, чем портландцемент, который веками использовался в строительстве. Это приводит к сопротивлению со стороны потребителей цемента, особенно в секторе, который, по понятным причинам, ставит безопасность на первое место. Многие из этих новых технологий также недостаточно развиты, чтобы получить широкое распространение.

Альтернативы также, как правило, имеют более ограниченное применение, а это означает, что не может быть единственной замены портландцементу. Поэтому их использование будет означать отход от предписывающих стандартов. В настоящее время почти все стандарты, нормы проектирования и протоколы испытаний цементных вяжущих и бетона основаны на использовании портландцемента, отмечает Chatham House. Он добавляет:

«Новые подходы и особенно новые отраслевые стандарты требуют много обсуждений и испытаний. Например, на утверждение и внедрение нового стандарта в ЕС могут уйти десятилетия».

Однако недавние достижения в области испытаний материалов для бетона могут позволить лучше понять его химический состав, давая больше уверенности в корректировке отраслевых стандартов.

Альтернативные цементы также должны быть в состоянии конкурировать с портландцементом по стоимости, особенно в отсутствие сильного регулирующего или политического давления, такого как цены на углерод. Но переход может потребовать инвестиций в новое оборудование или более дорогие материалы, на окупаемость которых может уйти несколько лет, говорит Chatham House.

Доступ к достаточному количеству сырья, необходимого для некоторых видов цемента, также является важным фактором. Например, местная доступность летучей золы — побочного продукта сжигания угля и одного из наиболее часто используемых заменителей клинкера — снижается по мере закрытия угольных электростанций.

Можно ли снизить спрос на цемент?

Снижение спроса на цемент также может помочь ограничить выбросы, особенно в развивающихся странах. Например, Chatham House подчеркивает, как городские проекты, основанные на системе «капиллярной паутины» и пешеходах, а не автомобилях, могут использовать на треть меньше бетона. Точно так же принципы готических соборов были использованы для проектирования современных бетонных полов, которые на 70% легче, чем обычные аналоги.

Использование концепции «экономики замкнутого цикла», позволяющей повторно использовать модульные части зданий, также может сыграть свою роль, как и максимальное увеличение срока службы инфраструктуры. Китай, например, подвергся критике за строительство новых некачественных зданий, которые могут простоять только 25-30 лет, прежде чем их снесут.

Бетонные ступени, являющиеся частью морской стены и защитных сооружений на пляже Блэкпул. Предоставлено: Manor Photography/Alamy Stock Photo.

Бетон в зданиях также можно заменить древесиной, что потенциально позволит улавливать и хранить CO2. Некоторые новые виды инженерной древесины, такие как ламинированная древесина, открывают больше возможностей для строительства. Однако экономия углерода за счет использования в зданиях древесины вместо стали и бетона не гарантируется.

Старый бетон также можно измельчить и повторно использовать в таких проектах, как дорожные работы. Однако бетон потеряет свои вяжущие свойства, если не будет произведен новый клинкер.

Регулируются ли выбросы цемента?

Цемент часто считается слишком сложным для обезуглероживания, наряду с другими секторами, такими как авиация и сталь. Как отмечается в одном недавнем отчете, если выбросы цемента вообще упоминаются в публичных дебатах, «как правило, это означает, что с ними мало что можно сделать».

В результате цементная промышленность столкнулась с меньшим политическим и коммерческим давлением по сравнению с энергетическим сектором, рассказывает Феликс Престон. Престон — старший научный сотрудник Chatham House и соавтор отчета по цементу. Он говорит, что в этом секторе по-прежнему доминирует горстка крупных фирм, которые контролируют большую часть рынка. Престон добавляет:

«[Эти фирмы] часто доминируют или очень влиятельны в определенной географической области, а также на мировой арене. Я думаю, что это затруднило — и до сих пор трудно — настаивать на радикальных переменах. Они не обязательно видят немедленный стимул для принятия амбициозных мер».

ЕС считает, что цемент подвергается значительному риску утечки углерода, что означает, что он получает бесплатные разрешения в Системе торговли выбросами ЕС (EU ETS). В преддверии реформ ЕС ETS 2017 года экологический комитет Европейского парламента (ENVI) безуспешно предлагал прекратить это бесплатное распределение. По словам Chatham House, введение минимальных цен на выбросы углерода, рассматриваемое в нескольких странах-членах, все еще может повлиять на сектор.

Китайская ETS, как ожидается, будет включать цемент, хотя на первом этапе она будет охватывать только энергетический сектор.

Цементная промышленность принимает меры?

В рамках CSI производители, на долю которых приходится 30% мирового производства цемента, уже около двух десятилетий совместно работают над инициативами в области устойчивого развития, включая сокращение выбросов. На парижской конференции по климату группа объявила о планах сократить свои коллективные выбросы на 20-25% к 2030 году. Это будет уровень амбиций, аналогичный описанному выше сценарию «ниже 2C».

Тем временем Всемирная ассоциация производителей цемента (WCA) разрабатывает «План действий по борьбе с изменением климата», который будет опубликован в конце этого месяца. Нынешние технологии могут обеспечить только половину сокращения выбросов CO2, необходимого для достижения цели 2C Парижского соглашения, как недавно предупредила WCA делегатов на своем «Глобальном форуме по изменению климата» в Париже. Членская база WCA представляет собой более миллиарда тонн годовой мощности по производству цемента.

Всемирная цементная ассоциация (WCA) призывает участников отрасли активизировать усилия по быстрому и масштабному внедрению новых технологий для сокращения выбросов CO2, чтобы эффективно бороться с изменением климата. #цемент #устойчивое развитие #ClimateAction https://t.co/RUgEzIF1DC pic.twitter.com/PQHbl1EBT7

— World Cement Assoc. (@WorldCemAssoc) 5 июля 2018 г.

Недавно созданная Глобальная ассоциация цемента и бетона (GCCA) также хочет улучшить экологические показатели отрасли. Он должен взять на себя работу по устойчивому развитию, проделанную CSI в январе 2019 года.

Несколько цементных компаний также уже ввели внутреннюю цену на углерод или планируют ввести ее.

Ссылки из этой истории

• Вопросы и ответы: почему выбросы цемента влияют на изменение климата

• Вопросы и ответы: Как цемент может снизить воздействие на изменение климата

Комментарии

Просмотр комментариев (13)Закрыть комментарии

Производство цемента – Интерактивное дорожное покрытие

Пример операции – Лафарж Сиэтл

Пример операции производства цемента взят из Лафарж Сиэтл. На рисунках 1 и 2 ниже показано отношение завода Лафарж к центру Сиэтла и 3D-изображения завода Лафарж соответственно. Всего у Lafarge 20 заводов в Северной Америке, 16 из которых производят портландцементы, а четыре — шлакоцементы.

Рис. 1. Антенна Lafarge Seattle, предоставленная Microsoft Virtual Earth.

Рис. 2. Lafarge Seattle Aerial 3D, любезно предоставленный Microsoft Virtual Earth.

Лафарж управляет цементным заводом в Сиэтле, штат Вашингтон, расположенным на участке площадью 25 акров, который граничит с водным путем Дувамиш. Завод впервые произвел цемент в 1967 году под названием «Идеальный цемент». Сейчас завод производит несколько видов цемента, которые затем используются в производстве бетона. Кроме того, завод в Сиэтле ежегодно выпускает около 600 000 тонн различных цементов. Продукция в основном продается в штатах Вашингтон и Орегон. Однако меньшее количество продается на Аляске, в Калифорнии, на Гавайях, в Айдахо, Монтане и Юте. Кроме того, большая часть цемента, производимого Lafarge Seattle, продается производителям готовых смесей.

Производство

Производство цемента на заводе Lafarge в Сиэтле осуществляется «мокрым способом». В результате сырье смешивается с 30-40% воды во время измельчения с образованием хорошо перемешанной суспензии. Этот влажный процесс выгоден из-за повышенной совместимости с влажным климатом и более равномерного смешивания сырья перед печью, а также из-за более низких выбросов печной пыли. Однако недостатком мокрого процесса является то, что для производства клинкера требуется больше энергии. См. также [http://www.epa.gov/epaoswer/other/ckd/rtc/chap-2.pdf] для получения дополнительной информации о мокром процессе в соответствии с EPA.

Рисунок 3. На этой фотографии показана часть печи мокрого способа длиной 540 футов в Lafarge Seattle.

Рисунок 4. Несколько кусков клинкера с завода Lafarge в Сиэтле.

Кроме того, завод Lafarge Seattle Cement работает в печи с разными температурами из-за разных химических реакций, протекающих в трех широких температурных зонах.

• Зона сушки
• Зона прокаливания
• Клинкерообразование (зона обжига)

Шаги

• Шаг 1
  • Все сырьевые материалы (такие как известняк, сланец и загрязненная почва) смешиваются, измельчаются вместе с водой до образования суспензии.
  • Сырье из известняка, сланца, почвы измельчается таким образом, чтобы не менее 50% проходило через сито с размером ячеек 45 мкм.
  • Химический анализ суспензии проводится каждые два часа, чтобы убедиться, что состав суспензии соответствует требованиям.
• Шаг 2
  • Шлам со всеми сырьевыми ингредиентами подается непосредственно в печь, которая производит клинкер вместе с другими побочными продуктами, такими как цементная пыль (CKD).
• Шаг 3
  • Клинкер измельчается до частиц малого диаметра с добавлением гипса для контроля времени схватывания.

Ниже представлена ​​более подробная картина производственного процесса, предоставленная Lafarge Seattle.

 

Рисунок 5. Чек на портландцемент. Предоставлено Робом Шогреном, Lafarge Seattle.

Произведенный цемент

ASTM C150 (AASHTO M85)

• Тип I-II: Спецификация типа II способствует устойчивости к умеренному воздействию сульфатов.
• Тип III: Бетон с высокой начальной прочностью.
• Type II-V: Этот цемент время от времени производится для рынка Калифорнии — повышает устойчивость PCC к сульфатному воздействию. *Тип V обычно используется, когда требуется высокая стойкость к сульфатам.

ASTM C595 (AASHTO M240)

• Тип I (SM): модифицированный шлаком портландцемент для использования в общем бетонном строительстве — цемент содержит до 25 % по весу доменного шлака. Использование этого цемента признано лидером в области энергетического и экологического проектирования (LEED). Торговое название «MaxCem» используется для этого цемента компанией Lafarge.

ASTM C989 (AASHTO M320)

• Молотый гранулированный доменный шлак (GGBFS), класс 100: Lafarge продает эту продукцию под торговой маркой NewCem. Этот продукт можно использовать в качестве добавки к портландцементу (аналогично тому, как летучая зола используется в качестве частичной замены портландцемента) или в качестве замены 1:1 для типа I-II. Цена составляет около 90% от Type I-II (или на 10% меньше, чем от Type I-II).

Сырье общего назначения

• Известняк с острова Тексада (Канада)
• Сланец из Британской Колумбии
• Гипс из Мексики
• Измельченный гранулированный доменный шлак из Японии (используется для производства цемента типа I (SM))
• Взрывной песок – в основном из Сиэтла.

Сырье для источников топлива

Материалы, сжигаемые в печи для получения энергии. Общее производство цемента в Lafarge Seattle использует 30% альтернативных материалов для подачи сырья в печь. Около ½ топлива, используемого в печи, производится из вторичного сырья.

• Топливо, полученное из шин
• Уголь
• Почвы, загрязненные углеводородами
• нет. 6 Мазут
• Отработанные растворители
• Краски для печати
• Остатки краски
• Чистящие жидкости

Это сырье не только обеспечивает более высокую энергию для сжигания, чем уголь, который является преобладающим источником топлива, но и при сжигании «зольные остатки от TDF могут содержать меньше тяжелых металлов, чем некоторые виды угля, и приводить к более низким выбросам NOx по сравнению с ко многим углям США, особенно углям с высоким содержанием серы» (EPA). Кроме того, «исследования показали, что альтернативный или, скорее, основной метод размещения этого опасного сырья на свалках оказывает большое негативное воздействие на окружающую среду, такое как выщелачивание токсинов в грунтовые воды, изменение значения pH и накопление тяжелых металлов» ( АООС). По общей оценке (2001 г.) предприятия Lafarge в Сиэтле потребляют от 600 000 до 1 200 000 целых шин в год (WSDOE).

Рисунок 6. Сваи для хранения загрязненного грунта.	Рисунок 7. Сваи для хранения загрязненного грунта.
Рис. 8. Переработанное масло доставляется в Лафарж и сжигается в печи.	Рис. 9. Внутри печи во время запуска (показан природный газ).

Контроль за загрязнением окружающей среды на заводе Lafarge в Сиэтле

 

Рис. 10. Электрофильтры, удаляющие выбросы твердых частиц, образующихся в печи.

Как уже говорилось, завод Lafarge Seattle Cement работает на различных альтернативных источниках топлива. Эти альтернативные источники топлива, такие как TDF и почвы, загрязненные углеводородами, являются основными загрязнителями. Поскольку завод расположен в Сиэтле, крупном столичном центре, большое количество этих загрязняющих веществ нуждается в переработке, повторном использовании или утилизации.

Другим примером борьбы с загрязнением окружающей среды на заводе Lafarge в Сиэтле является его работа в условиях почти нулевого сброса воды. Это означает, что практически все стоки собираются, обрабатываются или используются иным образом. Ежегодно образуется около 25 миллионов галлонов ливневых вод.

Заботой любого крупного промышленного предприятия является контроль за загрязнением окружающей среды и вопросы безопасности, которые регулируются федеральными, государственными и местными органами власти. Выбросы в атмосферу цементного завода Лафарж в Сиэтле регулируются Агентством чистого воздуха Пьюджет-Саунд, и Лафарж должна соблюдать:

• Федеральный закон о безопасности и гигиене труда на шахтах
• Закон о чистом воздухе
• Закон о чистой воде
• Закон о сохранении и восстановлении ресурсов

Рисунок 11. Практически вся вода на заводе Лафарж собирается, обрабатывается или иным образом используется для производства цемента.

Выбросы в атмосферу из печи состоят в основном из следующих соединений:

• CO2
• СО
• NOx
• SO2

Из-за времени горения материала (или времени выдержки) и высоких температур в печи печи для обжига цемента не выделяют высоких уровней органических загрязнителей.