Цементология: структура, свойства цементов и оптимизация технологических процессов

 
 
 
 
В. К. Классен , Б. Т. Таймасов 
 
 
 
 
 
 
ЦЕМЕНТОЛОГИЯ 
СТРУКТУРА, СВОЙСТВА ЦЕМЕНТОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 666.9   
ББК 38.33 
К47 
 
 
 
Рецензенты: 
 
доктор технических наук, профессор ЮКГУ им. М. Ауэзова Худякова Т. М.; 
 
доктор технических наук, профессор ЮКГУ им. М. Ауэзова Жантасов К. Т.; 
 
доктор технических наук, директор НИИ «Строительные материалы, строительство  
и архитектура» Сарсенбаев Б. К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Классен, В. К. 
К47  
Цементология: структура, свойства цементов и оптимизация технологических процессов : учебник /  В. К. Классен , Б. Т. Таймасов. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 264 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1722-8   
 
Изложены состав, свойства, химико-технологические основы процессов производства портландцемента, оптимальная модульная характеристика клинкера, оценка 
пригодности сырья, традиционное и нетрадиционное сырье. Показаны методы подготовки, усреднения и хранения сырьевых компонентов, закономерности процессов 
измельчения. Описаны процессы помола сырья при сухом способе производства, вертикальные мельницы, роллер-прессы, современные системы помола и сушки угля, методы оптимизации сжигания топлива, пути оптимизации и повышения энергоэффективности цементного производства.   
Для магистрантов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов». 
 
УДК 666.9   
ББК 38.33 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1722-8 
”  Классен В. К. , Таймасов Б. Т., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
Цементология – это наука об уникальном материале современной цивилизации. Цемент является незаменимым материалом в строительстве. В современном городе от тротуара под нашими ногами до небоскреба у нас над головой нет ни одного объекта, созданного без применения цемента. Этот продукт 
без преувеличения можно назвать материалом, на котором держатся все сферы 
строительства. Без него немыслимы многие виды строительных работ: он применяется при заливке фундаментов, бетонировании оснований, для связывания 
между собой кирпича и бетонных блоков при возведении стен, для сельскохозяйственного, гидротехнического, морского, дорожного, аэродромного строительства. Бетонные блоки тоже невозможны без цемента, ибо он является вяжущим веществом при производстве бетона и железобетонных изделий, из него 
изготавливают и другие строительные материалы. Фактически сегодня невозможно представить современную жизнь без использования цемента. 
С момента появления первого цементного завода в России наука не стояла на месте, разрабатывая новые технологии, направленные на удешевление 
этого материала, улучшение его качества и расширение ассортимента специальных цементов, имеющих особые свойства. На основании разработок русских и 
советских ученых была создана целая наука. Она носит название науки о технологии производства и процессах затвердевания вяжущих веществ. Результаты этой почти двухвековой работы мы видим на современном строительном 
рынке. 
В зависимости от области применения сегодня используют различные виды цемента, обладающие теми или иными особыми качествами: портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, белые и цветные, 
пластифицированные и гидрофобные, быстротвердеющие и высокопрочные, низкотермичные, сульфатостойкие, глиноземистые, расширяющиеся цементы и дру- 
гие, менее распространенные вяжущие материалы. 
Современная строительная техника предъявляет к вяжущим материалам 
новые высокие требования. Для производства железобетонных изделий и конструкций нужны быстротвердеющие портландцементы; для сооружения бетонных дорог – цемент, обладающий повышенной деформативной способностью 
и морозостойкостью; для декоративных целей требуются белые и цветные цементы, а для ремонтных работ – расширяющиеся цементы. В соответствии с запросами строительства учеными разработана технология производства соответствующих специальных цементов. Их ассортимент постоянно расширяется. Одновременно повышается качество цемента, растет средняя его марка. 
Сегодняшние объемы капитального строительства требуют колоссальных 
объемов цемента. Так, в 2015 году в мире было выпущено фантастическое количество цемента – более 4,3 млрд тонн. Более половины этого объема было 
произведено в Китае. Основное количество цемента было выпущено на современных высокопроизводительных, высокотехнологичных заводах сухого спо3 
 

соба. На печных системах сухого способа производства достигнута фантастическая производительность – более 12 000 тонн клинкера в сутки. 
Ниже представлены десять крупнейших фирм – производителей цемента 
в мире (табл. 1). 
 
Таблица 1 
Десять крупнейших компаний – производителей цемента 
№ 
Компания 
Страна 
Выпуск цемента 
в 2014 г., млн тонн 
Количество 
заводов 
1 
Anhui Conch 
Китай 
220 
33 
2 
Holcim 
Швеция 
178 
115 
3 
Lafarge 
Франция 
167 
109 
4 
CNBM (Sinoma) 
Китай 
159 
118 
5 
HeidelbergCement 
Германия 
92 
58 
6 
Cemex 
Мексика 
83 
60 
7 
Italcementi 
Италия 
80 
45 
8 
Taiwan Cement 
Тайвань 
64 
5 
9 
China Resources 
Китай 
63 
16 
10 
Buzzi 
Италия 
53 
33 
 
Сегодня учеными изучены и установлены структура и дефектность клинкерных минералов, их способность к трибоактивации. Разрабатывается механохимическая обработка зерен цемента как новое направление в радикальном 
повышении строительно-технических свойств цементов и бетонов. Введение 
в клинкер при помоле высококремнеземистых добавок позволяет значительно 
снизить энергозатраты на выпуск цемента. Разработаны новые виды вяжущих 
материалов: кислотно-основного взаимодействия, фосфатные, неорганические 
клеи, органические, серные и др. 
Сегодня на многих цементных заводах объединили европейские нормы и 
отечественные промышленные традиции. При производстве цементов используется как природное сырье, так и многотоннажные отходы промышленности, 
на предприятиях применяются инновационные энергосберегающие технологии 
и современные методы контроля качества. Отличное качество и ценные потребительские свойства цементов позволяют интенсифицировать строительство и 
повышать качество возводимых сооружений. В ХХ веке сбылось предсказание 
Д. И. Менделеева, еще в 1891 г. писавшего, что цемент есть строительный материал будущего. 
В странах СНГ, где превалировал мокрый способ, на заводе средней 
мощности (1,5–2,5 млн т) работало около 4–5 вращающихся печей и 6–10 цементных мельниц, в то время как в мире, на заводах сухого способа такой же 
мощности, используется 1–2 вращающиеся печи и 3–5 цементных мельницы. 
На заводе с большей мощностью (до 4 млн т) эксплуатируется до 4 вращающихся печей и 5–8 цементных мельниц. 
4 
 

В Республике Казахстан производству цемента уделяется большое внимание. Для покрытия потребности в портландцементе были построены новые 
современные цементные заводы и реконструированы действующие.  
  
 
 
Рис. 1. Цементный завод STANDARD CEMENT мощностью 2 млн т 
 
В последнее десятилетие в Республике Казахстан были построены и введены в эксплуатацию 5 новых цементных заводов сухого способа мощно- 
стью 1,0–2,0 млн тонн цемента в год:  ТОО «Стандарт Цемент» в г. Шымкенте (рис. 1), ТОО «JAMBYLCEMENT» французской фирмы Vicat в пос. Мынарал Жамбылской обл., ТОО «Казах Цемент» на станции Шар Восточно-Казахстанской обл., ТОО «Каспий Цемент» фирмы HEIDELBERGCEMENT на станции Шетпе Атырауской обл., Хантауский цементный завод, ТОО «Кокше Цемент» на севере Республики мощностью 2 млн тонн цемента в год, ТОО «Ала 
цемент» мощностью 1 млн т в Алматинской области.   
Были реконструированы и запущены линии сухого способа № 5 и № 6 
АО «Карцемент». АО «Шымкентцемент» (Italcementi Group, HEIDELBERGCEMENT) завершило строительство и запустило в декабре 2015 г. линию сухого 
способа производства мощностью 1 млн т на территории действующего цементного завода в г. Шымкент. Продолжается строительство китайского цементного завода мощностью 1,5 млн т в пос. Кордай Жамбылской обл. 
Кроме этого, в Республике Казахстан продолжают работать старые цементные заводы мокрого способа, построенные в 1952–1964 годах: ТОО «Цементный завод «Семей» (1,15 млн т), ТОО «Бухтарминская цементная компания» (1,2 млн т), ТОО «Састобе Технолоджис» (0,4 млн т). В последние годы 
выведены из эксплуатации 10 технологических линий с устаревшими печа- 
ми ‘4×150 м мокрого способа на Шымкентском и ‘3,6×127 м на Карагандинском заводах.  
5 
 

В 2022 году выпуск цемента в Казахстане составил около 12,1 млн тонн, 
что незначительно ниже, чем в предыдущем году. 
 
Таблица 2  
Производство портландцемента и цементного клинкера в Республике Казахстан 
Цемент и клинкер 
2018 г. 
2019 г. 
2020 г. 
2021 г. 
2022 г. 
Портландцемент, 
млн т 
9,9583 
10,2676 
10,9617 
12,3127 
12,0991 
Клинкер цементный, 
млн т 
7,3938 
7,2216 
8,453 
7,295 
8,468 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

ʡˈˏ˃ 1 
 
ʝʞʡʗʛʏʚʫʜʏʮ ʛʝʓʢʚʫʜʏʮʤʏʟʏʙʡʔʟʗʠʡʗʙʏ 
ʙʚʗʜʙʔʟʏʗʥʔʛʔʜʡʏ 
 
Портландцементом является гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе и представляющее собой продукт тонкого помола 
клинкера и гипса (иногда и шлака). Клинкер получают в результате обжига до 
спекания (a1450 °С) искусственной сырьевой смеси, состоящей из известняка, 
глины и корректирующей добавки. Клинкер содержит преобладающее количество силикатов кальция (70...80 ), алюминаты и алюмоферриты кальция. Вместо искусственной сырьевой смеси можно применять и естественные материалы («натуральные» цементные мергели) примерно того же состава. В искусственной смеси сырьевых материалов глина может быть полностью или частично 
заменена другими материалами соответствующего химического состава: доменным, фосфорным шлаком, белитовым шламом и т. п. 
В 1824 г. англичанином Джозефом Аспдином был заявлен патент на производство нижущего вещества, названного им портландцементом, так как это 
вещество в затвердевшем виде по цвету и прочности сильно походило на портландский камень, добываемый вблизи г. Портленд. Получали портландцемент 
путем обжига искусственной сырьевой смеси известняка с глиной до полного 
удаления углекислоты и последующего измельчения обожженного материала 
в порошок. Хотя название «портландцемент» и сохранилось впоследствии, однако полученный Аспдином цемент не был портландцементом в современном 
смысле этого слова, а представлял собой разновидность романцемента вследствие недостаточной температуры обжига. 
Получаемый по способу Аспдина цемент обладал пониженными свойствами по сравнению с вяжущим веществом, производимым по способу Егора 
Челиева. Он в 1825 г. в Москве издал книгу под названием «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма 
прочный для подводных строений, как-то; каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений». 
Вещественный состав общестроительных цементов:  
x портландцементный клинкер,  
x гипс, 
x минеральные добавки. 
 
ͳǤͳǤʤ˃˓˃ˍ˕ˈ˓ˋ˔˕ˋˍ˃˒ˑ˓˕ˎ˃ːˇ˙ˈˏˈː˕ːˑˆˑˍˎˋːˍˈ˓˃ 
 
1.1.1.  ʛˋːˈ˓˃ˎˑˆˋ˚ˈ˔ˍˋˌ˔ˑ˔˕˃˅ˍˎˋːˍˈ˓˃ 
 
3CaОÂSiО2 ... (C3S – алит) ~ 60 % 
2CaОÂSiО2 ... (C2S – белит) ~ 14 % 
3CaOÂAl2O3 ... (С3A) ~ 8 % 
7 
 

4CaOÂAl2O3Â Fe2O3 (C4AF) ... ~ 14 % 
Прочие фазы ... ~ 4 % 
Микроструктура клинкера с обозначением основных фаз приведена на 
рис. 1.1. 
 
 
Рис. 1.1. Микрофотография клинкера 
 
Основной клинкерный минерал C3S представлен в виде многогранников 
сине-фиолетового цвета с прямыми очерченными краями, C2S имеет округлую 
форму более светлого бежевого оттенка, C4AF – белая промежуточная фаза с 
высокой отражательной способностью, С3A – темные «прожилки» на светлом 
фоне C4AF. 
Рис. 1.2 показывает типичные формы проявления самых важных фаз клинкера в аншлифах клинкеров, как они могут наблюдаться под поляризацион- 
ным микроскопом (по Й. Планку). Цвета фаз клинкера изменяются с травильным раствором. При показанных в рис. 1.2 шлифах 1,2-Циклогександиамин-N, 
N,N',N'-тетрауксусной кислоты динатриевая соль (CDTA) использовался как 
травильный раствор. Это дает ясные и вполне отличительные цвета для отдельных фаз клинкера.   
 
Свойства отдельных фаз (минералов) 
 
Трехкальциевый силикат C3S обладает повышенной гидравлической активностью и скоростью твердения, формируя высокую прочность цементного 
камня в ранние сроки, который имеет пониженную водо- и коррозионную стойкость. 
8 
 

Двухкальциевый силикат C2S имеет значительно меньшую активность. 
В отличие от трехкальциевого силиката он твердеет очень медленно. Продукт, 
получившийся в ходе твердения, имеет невысокую прочность, но повышенную 
водо- и коррозионную стойкость. 
Трехкальциевый алюминат С3А обладает способностью к очень быстрому твердению, но сам продукт твердения имеет невысокую прочность и пониженную водо- и коррозионную стойкость. 
 
 
 
Рис. 1.2. Схематическое изображение составных частей цементного клинкера 
(травление проводилось 1,2-Циклогександиамин-N, N,N',N'-тетрауксусной 
кислоты динатриевой солью (CDTA) (по Й. Планку) 
 
Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF по всем параметрам (гидравлической активности, скорости твердения и прочностным характеристикам), занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым 
силикатами. Продукты твердения обладают повышенной водо- и коррозионной 
стойкостью. 
 
 
9 
 

1.1.2. ʝˍ˔ˋˇː˞ˌ˔ˑ˔˕˃˅ ˙ˈˏˈː˕ːˑˆˑˍˎˋːˍˈ˓˃ 
 
Оксид кальция СаО = 63...67 ; 
Оксид кремния SiО2 = 21...24 ; 
Оксид алюминия Al2O3 = 4...7 ; 
Оксид железа Fe2O3 = 3...5 %; 
Оксид магния MgO < 5 %. 
Ограничения по MgO (периклазу) вызваны тем, что при твердении цемен- 
та он гидратирует с запаздыванием в затвердевшем цементном камне и вследствие значительного увеличения объема может привести к его разрушению. 
 
1.1.3. ʛˑˇ˖ˎ˟ː˃ˢ˘˃˓˃ˍ˕ˈ˓ˋ˔˕ˋˍˋˍˎˋːˍˈ˓˃ 
 
Коэффициент насыщения 
КН = 
3
2
3
2
8
,
2
35
,
0
65
,
1
SiO
О
Fе
О
Аl
СаО


 § 0,91. 
2
Силикатный (кремнеземистый) модуль 
n = 
2
O
Fe
О
Аl
SiO

   § 2,2.   
3
2
3
2
Алюминатный (глиноземистый) модуль 
p = Al2O3/Fe2O3 § 1,4. 
 
Модули характеризуют: 
 
КН..... C3S / C2S, 
n....... (C3S  C2S)/(C3AC4AF), 
р....... C3A / C4AF.  
Коэффициент насыщения КН равен отношению фактического СаО, связанного с SiО2, к теоретически необходимому СаО для связывания этого количества SiО2 в C3S. Следовательно, содержание С3А и С4АF не влияет на КН и 
с повышением КН возрастает доля C3S и снижается – C2S. При увеличении n 
и р повышается соответственно доля силикатных фаз и C3A в клинкере. Таким 
образом, при изменении модулей свойства цемента изменяются в соответствии 
с изменением их фазового состава. 
 
ͳǤʹǤʓˑ˄˃˅ˍˋ˅˙ˈˏˈː˕ 
 
1.2.1. ʒˋ˒˔ȋ˓ˈˆ˖ˎˢ˕ˑ˓˔˘˅˃˕˞˅˃ːˋˢȌ 
 
Двуводный гипс CaSО4Â2H2О, 
Полуводный гипс CaSО4Â0,5H2О,  
Ангидрит CaSО4. 
10