4. Modernizacja i minimalizacja strat.

4.1 Polepszanie własności fizycznych i chemicznych cementu.

Najważniejszymi aspektami ulepszania zapraw cementowych są zwiększanie własności użytkowych cementu takich, jak:

• Wytrzymałość zaprawy

• Zapewnienie stałości objętości

• Odporność na agresje chemiczną

• Szybkość narastania wytrzymałości

Wytrzymałość.

Jako główny składnik betonu za wytrzymałość mają wpływ nawet nieznaczne różnice w fizycznych i chemicznych własnościach piasku wsadowego. Wytrzymałości jest tu rozumiana jako odporność na ściskanie i rozciąganie, zginanie na uderzenia oraz na ścieranie. Jednak najważniejsze są pierwsze 2 parametry, gdyż to one pozwalają określić stopień hydratyzacji (związania z wodą) cementu i jego odporność na pozostałe obciążenia mechaniczne.

220-222

Stałość objętości.

Najbardziej niepożądanymi procesami dla cementu są skurcz i nadmierna ekspansja, dlatego niedopuszczalna jest obecność w mieszance wsadowej wolnych tlenków wapniowych, magnezowych, gdyż rozlokowują się one w klinkierze w postaci stałego roztworu obniżając trwałość stwardniałego zaczynu. Natomiast obecność siarczanu wapniowego powoduje pochłanianie znacznej ilości wody - pęcznienie, a co za tym idzie nieodwracalne zmiany w objętości. Może to powodować zwiększenie kruchości, rozpadanie się, a nawet niszczenie betonu wyrobionego z takiego cementu (zawierającego reaktywne formy krzemionki.)

Zjawisko skurczu powodowane jest wysychaniem wody ze stwardniałego zaczynu. Ten proces jest przyczyną pęknięć, rys, co w efekcie obniża wodoszczelność betonu. Z tego powodu powstają coraz bardziej zaawansowane mieszanki na bazie klinkieru portlandzkiego lub glinianego (główny materiał wiążący), w których powstaje ettryngit. Najważniejszym jest tu osiągnięcie kontrolowanej ekspansji rekompensując utratę H₂O z cementu.

Prace nad udoskonalaniem i opanowaniem pęcznienia i kontrolowaniem ekspansji są prowadzone na wielką skalę min. w USA i Rosji.

230-233 , 276-279

Odporność na czynniki chemiczne.

Stwardniały beton podlega szeregu niszczących działań gazów; temperatur i wód, które działają w największym zakresie poprzez rozpuszczanie, wypłukiwanie, czy wymywanie jego elementów. Decydującą role odgrywa tutaj portlantyd, którego wypłukanie i wyługowanie pozostawia luki obniżające zwięzłość betonu, umożliwiające dalszą korozję i obniżające jego mrozoodporność.

Odporność stwardniałego zaczynu cementowego na niszczące działanie czynników chemicznych nie zależy jedynie od składu chemicznego, ale także od szczelności i zwięzłości zaczynu.

Sposobami zwiększenia odporności betonu na korozję jest

• Autoklawizacja- prowadzi ona do zaniku portlantytu w zaczynie cementowym, oraz wydzielają się niskozasadowe krzemiany wapniowe wykazujące odporność na działanie wody i słabych kwasów. Koniecznym warunkiem do przeprowadzanie autoklawizacji jest obecność krzemionki w zaczynie cementu.

• Stosowanie PUCOLANÓW- powstają one przez zmieszanie klinkieru portlanckiego z pucolaną - w środowisku wodnym reagują z wapnem, co prowadzi do utworzenia nierozpuszczalnych faz (uwodnionych krzemianów wapniowych). Przez to, że są odporne na działanie wody takie zaprawy i betony nazywa się hydraulicznymi

• Stosowanie cementu bez faz glinianowych- charakteryzuje się on wysoką odpornością na korozję siarczanową i niskokalorycznością. Są pozbawione ettryngitu- związku, którego krystalizacja rozsadza stwardniały zaczyn.

248-255, 259

Narastanie wytrzymałości.

Wolne narastanie wytrzymałości betonu jest jego największa wada jako materiału budowlanego. Jest ono uwarunkowane powolnym przebiegiem procesów hydratacji w temp około 30°C, dlatego w zależności od rodzaju cementu może on twardnieć nawet 28 dni.

W celu przyśpieszenia narastania wytrzymałości do cementu dodaję się dużą ilość alitu, po czym mieli na drobny proszek. Do mieszanki wsadowej prowadza się także ulepszacze, które modyfikują strukturę klinkieru i podwyższają aktywność z wodą.

278-279

Obok składu chem. i stopnia zmielenia na przebieg wiązania cementu duży wpływ mają temperatura otoczenia oraz współczynnik W/C (zwieksz il wody

4.2 Minimalizacja strat

Najważniejszymi aspektami mającymi na celu zmniejszenie strat i opadów w fazie produkcyjnej i poprodukcyjnej są:

• Zastosowanie nowocześniejszych, alternatywnych metod produkcji

• Wprowadzanie komputerowych systemów zarządzania produkcją

• Normalizacja i optymalizacja procesu

4.1 Nowocześniejsze metody produkcji.

Aby spełniać wymogi wprowadzane przez Unię Europejską w zakresie ochrony środowiska cementownie zmuszane są do gruntownej modernizacji procesu, min. systemów odpylania, mielenia i pieców cementowych do wypalania klinkieru i żużla, które są także stosowane w procesie współspalania odpadów. Na te wszystkie procesy nakładane są ścisłe standardy emisyjne, które musza być bardziej przestrzegane niż w przypadku stosowania konwencjonalnego paliwa.

Wprowadzane są także bardziej zaawansowane i ekonomiczne odmiany cementu, które charakteryzują się lepszymi własnościami i mniejszymi nakładami energii na ich produkcje. Są to:

• Cementy hutnicze - zawierające zwiększoną ilość żużla (30 -80 %)

• Cementy poculanowe - produkowane z tufów, trasów, pumeksów, glin pucolanowych o zwiekszonej odporności na korozję chemiczną.

• Cementy romański- otrzymywany z margli (66 - 75% CaCO3), wytapiany w

temp. 1000 - 1100°C

273-275

4.2 Automatyzacja i kontrola produkcji.

W celu uzyskiwania optymalnych własności cementu konieczna jest ciągła kontrola prawidłowości poszczególnych etapów produkcyjnych (kontrola miedzyoperacyjna); dbałość o wprowadzanie surowców i półproduktów w odpowiedniej ilości i składzie chemicznym oraz szczegółowa ocena otrzymanego produktu końcowego.

Specjalistyczne laboratoria zakładowe zajmują się analizą zawartości tlenków min. CaO, SiO₂, Al₂O₃, MgO będących głównymi. Na podstawie analiz ustalany jest optymalny skład i udział wsadu do pieca, gdzie wypalany jest cement. Kontroli podlega także rodzaj paliwa (stopień jego wilgoci i wartości opalową, zawartości lotnych składników i popiołów), natomiast w fazie rozdrabniania wsadu w młynach i zgniataczach bada się jakości klinkieru i udział gipsu, żużla, dodatków polepszających.

Wszystkie te procesy mają na celu uzyskanie cementu spełniającego obowiązujące normy, który na sam koniec jest ponownie badany ze względu na zmiany objętości, wytrzymałości, czasu wiązania oraz stopnia zmielenia. Czynniki te są wyjątkowo ważne, ponieważ od nich zależy jaka jest jakość i zastosowanie otrzymanego później betonu.

Powyższe procesy kontrolujące produkcję są ściśle związane z jej automatyzacją. Zasadniczym celem automatyzacji i modernizacji produkcji są: stabilizacja i optymalizacja jakości końcowego produktu, które jest niemożliwe bez stosowania komputerowego systemu zarządzania i sterowania procesem. Największym problemem jest ciągła dokładna analiza składu chemicznego wsadu, która metodami klasycznymi zajmowała godziny, natomiast nowoczesną metodą spektometrii rentgenowsko-fluororescencyjnej pozwala na otrzymanie wyników w ciągu kwadransa. Dlatego wprowadzana coraz nowocześniejsza, dokładniejsza i szybsza aparatura przyśpiesza i usprawnia proces produkcji cementu- sprzyja wydajności, podwyższa jakość produktu i minimalizuje straty poprodukcyjne, np. źle dobrana mieszanka z wolnymi tlenkami Mg0 i Ca0 negatywnie działają na trwałość stwardniałego zaczynu i ma wpływ na zmiany jego objętości- jest to brak produkcyjny i nie może być nigdzie użytkowany.186-189, 231

Normalizacja cementu.

Normalizacja pełni w procesie technologicznym produkcji cementu szczególną rolę. Mianowicie o jakości cementu, który jest jednym z najważniejszych surowców dla budownictwa, oprócz składu mieszanki betonowej (jej skład można ściśle ustalić i zmierzyć) decyduje zastosowana technika produkcji oraz poprawność jej wykonania. Zawsze istnieje ryzyko, że nawet z bardzo dobrego cementu uzyska się beton (gotowy produkt) o złych właściwościach.

Zadania normalizacji to:

• Opracowanie jego klasyfikacji ze względu na możliwe zastosowanie- bowiem każdy użytkownik ma różne wymagania dotyczące: wytrzymałości, ciepła twardnienia, tempa narastania, odporności na czynniki chemiczne.

• Ustalanie metod oceny własności cementu, zapewniających ich powtarzalność.

• Wprowadzanie odpowiednich klas i gatunków cementu.

Ujednolicaniem i klasyfikacją cementów zajmuje się Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO).

273

5. Aspekty ekologiczne i podsumowanie

W ostatnich latach oddziaływanie zakładów cementowych na środowisko naturalne zadecydowanie zmalało. Jest to efekt wprowadzonych modernizacji w Europie (także w Polsce), a także działań Unii Europejskiej na rzecz zrównoważonego rozwoju i czystszej produkcji. Ponadto, stopniowo wprowadzane są rozwiązania pozwalające na stosowanie paliw alternatywnych co wpływa na zmniejszenie ilości odpadów oraz ograniczenie korzystania z naturalnych, nieodnawialnych zasobów energii.

Głównymi zagadnieniami w działaniach ekologicznych i ekonomicznych cementowni to:

• Zmniejszenie zużycia energii elektrycznej i cieplnej

• Zredukowanie emisji pyłów i gazów

• Ponowne wykorzystywanie odpadów stałych (współspalanie)

• Zminimalizowanie skutków eksploatacji terenów.

5.1 Problem energii elektrycznej.

Największy udział w zużyciu energii elektrycznej w procesie produkcji cementu przypada na zasilanie wielkich energochłonnych maszyn do rozdrabniania i przemiał cementu. Przemysł cementowy może obniżyć zużycie energii elektrycznej poprzez ulepszenie technik mielenia cementu, czy wprowadzanie nowocześniejszych maszyn.

Tabela (2) obrazuje różnice między dwoma najczęściej stosowanymi technikami produkcji cementu: mokrą i suchą. Widać tutaj, że bardziej ekonomiczna jest metoda sucha, gdyż nie wymaga zużywania energii na odparowanie wody, a jedynie na podgrzanie surowców. Mniejsze gabaryty urządzeń i krótszy czas wytwarzanie, jak i charakter transportu wsadu obniżają pobór energii elektrycznej.

	metoda mokra	metoda sucha
rozdrabnianie głębokie surowca	młyny kulowe - mielenie na mokro	kruszarko-suszarka
korekcja składu - sporządzanie wsadu	zbiorniki korekcyjne szlamu (kontrolowane zestawianie składu szlamu ze zbiorników)	kontrolowane dozowanie składników (wagi)
transport materiału wsadowego	hydrauliczny	pneumatyczny
rozdrabnianie i transport	metoda łatwiejsza	trudniejsza-specjalne rozwiązaniaskutecznej separacji fazy nośnej (powietrza)
energochłonność metody	duża (konieczność odparowania wody)	energia jedynie na podgrzanie surowców
czasochłonność	duża	mała
gabaryty urządzeń	duże	małe
wydajność z jednostkowej objętości instalacji	mała	duża

Natomiast najwięcej energii cieplnej pochłanianej na ogrzanie surowców i podczas wypalania klinkieru i żużla w piecach oraz na współspalanie odpadów.

Wykres (3) pokazuje jak na przestrzeni lat zmieniał się udział ciepła na wypalanie klinkieru. Wskaźnik ten udało się obniżyć głównie dzięki wprowadzaniu mniej energochłonnych pieców i stosowaniu paliw alternatywnych.

5.2 Pyły i gazy

Proces technologiczny produkcji cementu jest najbardziej związany z emisją pyłów, gazów i zawartych w nich zanieczyszczeń, co ma znaczący wpływ na środowisko naturalne. Powstają one zarówno w procesach mielenia czy rozdrabniania surowca, natomiast trujące gazy powstają w piecach i przy współspalaniu odpadów. Ich ilość jest uzależniona od rodzaju użytego pieca i typu produkcji. Jednak przeprowadzenie gruntownej modernizacji technicznej Polsce obniżyło emisję pyłów o kilka tysięcy ton rocznie.

Wykres (1) obrazuje emisje pyłów z cementowni w Polsce (lata 1999-2005)

Na całym świecie wprowadzane są technologie uwalniające mniej CO2 do powietrza wykorzystujące alternatywne źródła energii. Ten sam problem dotyczy cementowni, które starają się minimalizować emisję tego gazu.

Ponad połowa wyemitowanego gazu z cementowni stanowi CO₂ technologiczny. Powstaje on podczas rozkładu kamienia wapiennego (głównego składnika klinkieru cementowego) - na wytworzenie 1 tony klinkieru przypada 0,5 tony wyemitowanego dwutlenku węgla. Znaczna ilość tego gazu powstaje też podczas spalania paliw w piecach i zależy od ilości zużytego ciepła na wypalanie klinkieru.

Jednak stosowanie nowoczesnych technik wypalania klinkieru i ulepszenie technik mielenia cementu oraz stosowanie alternatywnych źródeł energii pozwoliło na spadek emisji CO₂ dochodzący nawet do kilku tysięcy ton, co przedstawia wykres (2).

Ponad to wyeliminowanie mokrej metody produkcji klinkieru cementowego przyniosło zmniejszenie zużycia energii cieplnej, a tym samym ilość emitowanych gazów odlotowych. Umożliwiło to w dodatkowo redukcję emisji CO₂ o około 40% na jednostkę wypalanego klinkieru.

Prowadzone są także liczne działania mające na celu obniżenie emisji gazów szkodliwych dla środowiska i człowieka takich jak:

• dwutlenku siarki (S0₂)- bezbarwnego gazu o duszącym i gryzącym zapachu, drażniącego drogi oddechowe, trującym dla zwierząt i roślin.

• mieszanek kilku rodzajów tlenku azotu (NO_X)-

Zaobserwować można jedynie znaczny wzrost emisji tlenku węgla (CO)…………

wikipedia

Tabela (1) przedstawia udział zanieczyszczeń z przemysłu cementowego w stosunku do całkowitej emisji zanieczyszczeń w Polsce.

Rodzaj zanieczyszczenia	Procentowy udział zanieczyszczeń
CO2	3%
SO2	0.1%
NOX	1%
Pyły	<1%

.

5.3 Wykorzystanie odpadów w przemyśle cementowym

Wszelakiego typu opady mogą być usunięte ze środowiska dzięki tak zwanemu współspalaniu odpadów przez cementownie, które odzyskują energię zawartą w odpadach

w sposób bezpieczny i nie zagrażający środowisku - przyczyniają się do zmniejszenia ilości odpadów składowanych na wysypiskach (do produkcji cementu zużywa się około 4 miliony ton odpadów rocznie). Szacunkowo udział ciepła wytwarzanego w cementowniach w Polsce osiąga około14%.

Dodatkowo cementownie wykorzystując różnego typu odpady zastępują nimi nie tylko surowce naturalne do produkcji cementu, ale też paliwa kopalne i zachowuje rezerwy surowców naturalnych. Odpady są też używane jako dodatki do produkcji klinkieru i cementu, co pozwala znacznie obniżyć energochłonność produkcji cementu, a tym samym emisję CO₂.

Na wykresie (3) przedstawiono procentowy uzysk ciepła z paliw zastępczych w przemyśle cementowym w Polsce- lata 1999-2005.

5.4 Wpływ na wygląd terenu

Pomimo iż zakłady cementowe są wznoszone z dala on osiedli mieszkalnych i centr miejskich to ich wpływ na wygląd terenów, z którymi sąsiadują, jest ogromny. Z wydobywaniem surowca na produkcję cementu związana jest trwała zmiana krajobrazu- odkrywkowe kopanie wapienia, margla czy gipsu stanowiących składniki kruszywa

Działanie mające na celu zminimalizowanie tych negatywnych skutków to rekultywacja, czyli przywrócenie danego teren do stanu pozwalającego na jego dalsze zagospodarowanie i przekazanie go do dyspozycji lokalnych władz i społeczności.

5.5 Ekologiczne produkty cementowe

Najbardziej efektywnym materiałem do eliminowania ze środowiska naturalnego różnych szkodliwych składników są cement, jego pochodne oraz produkty na bazie cementu- czyli klinkiery i betony. Mogą one być wykorzystywane do unieszkodliwiania substancji radioaktywnych i metali ciężkich ze środowiska.

Za ekologiczne działanie można też uznać recykling betonu, czyli powtórne wykorzystywanie tego materiału ze starych konstrukcji betonowych do produkcji wartościowego kruszywa, które następnie może być stosowane do produkcji betonu.

5.6 Podsumowanie

Cement jest stosowany w przemyśle budowniczym na ogromną skalę- jest to składnik zapraw, tynków, ale przede wszystkim betonu, którego liczne zalety sprawiły, że jest on wykorzystywany przy realizacji obiektów, budynków materiałochłonnych wszelkiego rodzaju: mostów, tuneli, dróg, budynków mieszkalnych, biurowych, sakralnych itp. Beton był już znany starożytnym Rzymianom, jest podstawą technologii budowlanej w dzisiejszych czasach i będzie stosowany do wznoszenia obiektów o ogromnych wymiarach, wysokościach i skomplikowanych kształtach w przyszłości. Zapotrzebowanie na ten produkt będzie ze rozwojem naszej cywilizacji stale rosnąć, a tym samym też na cement.

Ciągły wzrost globalnego popytu na ten produkt, powszechność jego stosowania i rosnące wymagania wynikające z wprowadzanej i powszechnie akceptowanej strategii zrównoważonego rozwoju spowodowały modernizacje przemysłu cementowego. Zmniejszyło to ciągu ostatnich 50 lat ponad połowę emisje pyłów i zanieczyszczeń do środowiska naturalnego.

Za betonem przemawiają liczne zalety:

• Efektywność wykorzystania zasobów naturalnych i jego wysoka trwałość

• Długi czas użytkowania

• Możliwy recykling

• szerokie wykorzystywanie odpadów przemysłowych (lotnych popiołów, granulowanego żużla, pyłu krzemionkowego) do ponownej produkcji

• w trakcie jego wykorzystania i użytkowania konstrukcji jest brak emisji szkodliwych substancji chemicznych

• dobra izolacyjność akustyczna pozwalająca na skuteczną ochronę przed hałasem

• niepalność betonu i jego relatywnie wysoka ognioodporność

Z powyższych argumentów widać, ze cement to materiał przyszłościowy, wart inwestycji, stosunkowo tani i uniwersalny w możliwym zastosowaniu - niezbędny dla rozwoju ludzkości.

Str 40 -55 (PDF 534)

---