Savremena proizvodnja portland cementa

Koraci i faze

Proizvodnja portland cementa je složen tehnološki proces koji se sastoji iz dva osnovna koraka. U prvom se toplotnom obradom ulazne sirovine bitno menjaju stvarajući cementni klinker. U drugom, mlevenjem klinkera sa gipsom nastaje konačni proizvod – cement.

Opšta tehnološka šema proizvodnje portland cementa, koja uključuje i postupke sa sirovinama i gotovim proizvodom, sastoji se iz sledećih osam faza:

• eksploatacija cementnih sirovina
• priprema sirovina (usitnjavanje i mešanje)
• uskladištenje sirovinskog brašna
• pečenje sirovinskog brašna (proizvodnja klinkera)
• odležavanje klinkera
• mlevenje klinkera u cement
• uskladištenje cementa
• pakovanje i otprema

Sirovine

U osnovne sirovine koje služe za izradu smeše čijim će se pečenjem dobiti cementni klinker ubrajaju se:

• sirovine karbonatnog karaktera (krečnjak i neke vrste laporca sa visokim sadržajem CaCO₃)
• sirovine kiselog karaktera (gline, glinci, laporaste gline, tufovi, pucolani itd).

U korektivne sirovine čiji je osnovni zadatak da poboljšaju hemijski sastav smeše ubrajaju se:

• sirovine silikatnog karaktera (kvarcni pesak, tufovi i druge mineralne materije prirodnog ili veštačkog porekla)
• sirovine sa visokim sadržajem oksida gvožđa (piritne izgoretine i sl.)

U sirovine koje se u postupku dobijanja konačnog proizvoda mešaju sa klinkerom spadaju gips i dodaci kao što su: prirodni i veštački pucolani, granulisana zgura, krečnjak itd).

Alternativne sirovine

Upotreba alternativnih sirovina kao što su granulisana zgura visokih peći, leteći pepeo iz termoelektrana, silikatna čađ i dr. u procesu proizvodnje klinkera ili kao zamena za klinker u cementu ima značajan pozitivni doprinos u zaštiti životne sredine.

Odlaganje ovih nusproizvoda na tlu izaziva zagađenje vazduha, dok odlaganje u jezera i vodotokove oslobađa toksične metale koji su normalno prisutni u malim količinama. Posebno je pogodna okolnost da se teški metali sadržani u cementu praktično ne izlučuju iz konačnih cementnih proizvoda – betona i maltera.

Upotrebom alternativnih sirovina pri proizvodnji klinkera ili kao zamena dela klinkera u cementu, smanjuje se potrošnja prirodnih-neobnovljivih izvora sirovina i emisija CO₂ (uzrokovane reakcijom dekarbonatizacije iz sirovine i sagorevanjem goriva). Naime, svaki postupak smanjenja količine klinkera u cementu daje uštedu u sirovini, gorivu i smanjenje emisije CO₂ u atmosferu u istom procentu.

Proizvodnja klinkera

Postupak proizvodnje cementnog klinkera odvija se u širokom temperaturnom rasponu i obuhvata niz procesa i reakcija razlaganja i sinteze.

U temperaturnom rasponu od 50-900 ^oC iz sirovina se odstranjuje voda. Zagrevanjem sirovinske smeše od 50 – 100 ^oC iz materijala izlazi mehanički vezana voda, a od 100 – 300 ^oC i hemijski vezana voda vezana. Na temperaturama višim od 200 ^oC odvijaju se procesi dehidratacije (hemijske reakcije koje rezultiraju gubitkom vode iz molekula) i dehidroksilacije (hemijske reakcije koje rezultiraju izdvajanjem hidroksilne, -OH grupe, iz organskog jedinjena) glinenih supstanci. Temperature procesa dehidratacije i dehidroksilacije zavise od vrste glinenih minerala koji se nalaze u sirovinskoj smeši.

Kod temperatura od 900 – 1100 ^oC odvija se proces termičke disocijacije karbonata pri čemu se razlažu krečnjak (CaCO₃), dolomit (CaCO₃xMgCO₃) ili magnezit (MgCO₃).

U temperaturnom intervalu 1000 – 1200 ^oC dolazi do prvih reakcija između CaO iz krečnjaka i kiselih oksida iz gline (SiO₂, Al₂O₃ i Fe₂O₃) tj. započinju reakcije stvaranja klinker minerala i konačnog proizvoda cementnog klinkera. Ove reakcije stvaranja ili sinteze klinker minerala, zbog prisutnih mineralizatora i topitelja započinju već iznad 700 ^oC. Tako je i dokazano da se već:

• i ispod 800 ^oC stvara CaOxAl₂O₃ ili CA, a moguće i CaOxFe₂O₃ tj. CF,
• između 800 – 900 ^oC započinje stvaranje CaOxSiO₂ ili CS, koji se transformiše kod oko 1000 ^oC u jedinjenja sa većim sadržajem CaO,
• između 900 – 950 ^oC nastaje 5CaOx3Al₂O₃ ili C₅A₃ odnosno C₁₂A₇ koji se kao takav može naći i u gotovom proizvodu,
• između 950 – 1200 ^oC stvara se 2CaOxSiO₂ ili C₂S koji takođe ostaje u gotovom proizvodu,
• između 1200 – 1300 ^oC stvara se 3CaOxAl₂O₃ ili C₃A koji po svojoj prilici prelazi u aluminatferitnu fazu 4CaOxAl₂O₃xFe₂O₃ ili C₄AF,
• između 1200 - 1450 ^oC (faza sinterovanja) stvara se 3CaOxSiO₂ ili C₃S kao glavni i osnovni klinker mineral

U zoni sinterovanja, tj. kod temperatura 1450 ^oC i više, uspostavlja se stanje ravnoteže. Trajno zadržavanje ovog stanja postiže se naglim i što bržim hlađenjem, posebno u intervalu od 1450 ^oC do cca 1250 ^oC. Nakon hlađenja kojim je zadržan njegov mineralni sastav klinker se skladišti u posebne silose. Tu odstoji određeno vreme pre mlevenja kako bi slobodni kreč (CaO_sl), koji je, možda, još preostao, reagovao sa vlagom i CO₂ iz vazduha.

Proizvodnja cementa

Konačni proizvod – portland cement dobija se mlevenjem klinkera sa 2 – 4% gipsa u čeličnim kugličnim mlinovima. Gips se dodaje radi regulisanja vremena vezivanja dobijenog cementa.

U postupku mlevenja pored gipsa cementnom klinkeru se mogu dodati i drugi dodaci kao što su granulisana zgura visoke peći, prirodni i industrijski pucolani, krečnjak itd, što se čini kod proizvodnje cemenata sa dodacima.

Izvori:

1. Petar Krolo, "Tehnilogija veziva i kompozitnih materijala", Kemijsko-tehnološki fakultet u Splitu, 1999.
2. Predrag Brzaković, "Priručnik za proizvodnju i primenu građevinskih materijala nemetaličnog porekla", Knjiga 1, Beograd, 2000.
3. Peter C. Hewlett: "Lea’s Chemistry of Cement and Concrete", Fourth Edition, Read Educational and Proffesional Publishing Ltd., London, 1998