ΤΣΙΜΕΝΤΟ

Το τσιμέντο ανήκει στις κονίες. Κονία είναι το υλικό το οποίο σε στερεή (π.χ. τσιμέντο, γύψος) ή σε πολτώδη (π.χ. ασβεστοπολτός) μορφή, αναμιγνυόμενο με την κατάλληλη ποσότητα νερού, αποκτά πλαστικότητα (μπορεί να μορφοποιηθεί) και ικανότητα σύνδεσης αδρανών υλικών (άμμου, χαλικιών,  σκύρων) με τα οποία συνθέτει το κονίαμα. Τα κονιάματα πήζουν, πετρώνουν, εξαιτίας χημικών μετατροπών.

Η κατά κεφαλή κατανάλωση τσιμέντου ποικίλει έντονα από χώρα σε χώρα. Έτσι ενώ στην Ινδονησία είναι 15 – 20  kg ανά κάτοικο, στη Σιγκαπούρη φτάνει τα 2000 kg ανά κάτοικο και στη Γερμανία είναι 350 kg ανά κάτοικο. Η πρώτη στον κόσμο χώρα σε κατανάλωση τσιμέντου είναι η Κίνα.

Παγκόσμια παραγωγή τσιμέντου το 2010

Χημική σύνθεση

Το τσιμέντο προέρχεται από την καύση, περίπου στους 1500 °C, μίγματος ασβεστολιθικών και αργιλοπυριτικών πετρωμάτων, σε αναλογίες από 75 % και 25% αντίστοιχα, ανάλογα με το είδος του τσιμέντου.

Το τσιμέντο, όταν αναμιχθεί  με νερό, δίνει έναν παχύρευστο πολτό, ο οποίος με την πάροδο του χρόνου στερεοποιείται. Η στερεοποίηση αυτή δεν οφείλεται στην ξήρανση αλλά σε χημικές μετατροπές. Κατά την αντίδραση τσιμέντου με νερό, την «ενυδάτωση», δημιουργούνται σε αυτό τα ονομαζόμενα «υδραυλικά συστατικά», δηλαδή ένυδρα σύμπλοκα ασβεστίου, πυριτίου και άλλων ιόντων. Κατά τη στερεοποίηση το μείγμα μετατρέπεται σε συμπαγές μικροκρυσταλλικό πλέγμα, που σε συνδυασμό με αδρανή υλικά και χάλυβα προσδίδει στο τελικό προϊόν, στο σκυρόδεμα,  τις επιθυμητές ιδιότητες, όπως μηχανικές αντοχές, μειωμένο πορώδες και  ανθεκτικότητα στο χρόνο.

Χρήση

Το τσιμέντο χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την παρασκευή διαφόρων προϊόντων:

• Κονιάματα Παρασκευάζονται με ανάμιξη τσιμέντου, νερού και άμμου σε διάφορες αναλογίες. Τσιμέντο χρησιμοποιείται για την ενίσχυση ασβεστοκονιαμάτων και γυψοκονιαμάτων. Πολτός τσιμέντου, χωρίς άμμο, χρησιμοποιείται επίσης για τη στεγανοποίηση ή την κάλυψη αρμών σε πλακοστρώσεις και δάπεδα.
•  

• Σκυροδέματα Παρασκευάζονται με ανάμιξη τσιμέντου, νερού, άμμου και σκύρων. Χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παρασκευή οπλισμένου σκυροδέματος και πλήθους προϊόντων, όπως, τσιμεντόλιθοι, τσιμεντόπλακες,  τσιμεντοσωλήνες κ.ά..
•  

Οπλισμένο σκυρόδεμα Είναι ειδική κατηγορία σκυροδέματος. Το δέσιμο τσιμέντου με χάλυβα έφερε  επανάσταση στις κατασκευές. Αυτό το σύνθετο σώμα παρουσιάζει υψηλή αντοχή σε εφελκυστικές και θλιπτικές δυνάμεις,  προστατεύει το χάλυβα οπλισμού από διαβρώσεις και δίνει πολλαπλές δυνατότητες στη δόμηση. Στο φέροντα  οργανισμό των κατασκευών αντικατέστησε το ξύλο και σε συγκεκριμένες κατασκευές το χάλυβα.

• Ενέματα Παρασκευάζονται με ανάμιξη τσιμέντου με νερό και σε σπάνιες περιπτώσεις μπορούν να προστεθούν λεπτόκοκκα αδρανή υλικά. Το μείγμα χρησιμοποιείται ως ένεμα για διάφορες χρήσεις, όπως στατικές ενισχύσεις ή σταθεροποίηση εδαφών.

Σύγχρονες τσιμεντοβιομηχανίες

Παραγωγή και είδη

Η πρώτη παρασκευή τσιμέντου έγινε το 1756 από τον άγγλο μηχανικό John Smeaton, ο οποίος ανακάλυψε ότι με την όπτηση αργιλικού πετρώματος και ασβεστόλιθου μπορούσε να παρασκευαστεί υδραυλική κονία.

Το 1796, άλλος άγγλος, ο James Parker παρουσίασε μια σύνθεση υδραυλικής κονίας από πετρώματα, που περιείχε οξείδια του ασβεστίου, πυριτίου και αργιλίου. Το προϊόν καύσης αυτής της σύνθεσης, θρυβόμενο σε σκόνη, μετά από ψύξη, ονομάστηκε ρωμαϊκή κονία, επειδή έμοιαζε με την κονία που παρασκεύαζαν οι Ρωμαίοι από τις ηφαιστειακές γαίες, τις πουζολάνες.

Τσιμέντο Portland Η βιομηχανία παραγωγής τσιμέντου άρχισε το 1824, με τον Άγγλο Joseph Aspdin. Το μείγμα τροφοδοσίας φέρεται πλέον σε περιστροφική κάμινο συνεχούς λειτουργίας στους 1500^ο C. Το προϊόν που βγαίνει από την κάμινο είναι ένα χονδρόκοκκο υλικό που χαρακτηρίζεται με τον όρο όστρακα ή κλίνκερ. Τα κλίνκερ αποθηκεύονται σε στεγασμένους χώρους, αλέθονται δε και συσκευάζονται (το γνωστό τσιμέντο) όταν πρόκειται να διοχετευθούν στην κατανάλωση.

Κλίνκερ

Στη φάση αυτή αναμειγνύεται με γύψο μέχρι 5 %, ως επιβραδυντή πήξης και άλλα πρόσθετα, όπως σκωρία, πυριτική παιπάλη, πουζολάνες (φυσικές ή τεχνητές), ιπτάμενη τέφρα, ψημένο σχιστόλιθο, ασβεστόλιθο και γύψο. Τα πρόσθετα αυτά  χρησιμοποιούνται τόσο για τεχνικούς όσο και για οικονομικούς λόγους, καθώς αφενός διαφοροποιούν τις ιδιότητες του νωπού και του σκληρυμένου μείγματος (μηχανικές αντοχές, συνεκτικότητα, αντοχή σε διαβρωτικούς παράγοντες) και αφετέρου προσφέρουν στη βιομηχανία τη δυνατότητα αξιοποίησης των τοπικά διαθέσιμων πρώτων υλών.

Η κονία ονομάστηκε πόρτλαντ, από το όνομα αγγλικής νήσου.

Το τσιμέντο portland είναι εξαιρετικά λεπτόκοκκο, με το μεγαλύτερο ποσοστό των κόκκων διαμέτρου από 5 – 50 μm. Έχει ταυτόχρονα μεγάλη ειδική επιφάνεια, συνήθως από 2.500 – 4.500 cm/gr. Οι βασικές αυτές ιδιότητες, της λεπτότητας και της υψηλής ειδικής επιφάνειας, σε συνδυασμό με τη σύσταση του τσιμέντου, καθορίζουν τη δραστικότητά του.

Στην Ευρώπη οι τύποι τσιμέντων συμμορφώνονται στις απαιτήσεις του προτύπου ΕΝ 197-1, το οποίο κατηγοριοποιεί τα τσιμέντα σε πέντε βασικούς τύπους:

• CEM I: Τσιμέντο τύπου portland, με κύριο συστατικό το κλίνκερ (95 – 100 %)
• CEM II: Σύνθετο τσιμέντο πόρτλαντ. Περιέχει 65 – 94 % κλίνκερ και 35 – 6 %  πρόσθετα
• CEM III: Σκωριοτσιμέντο. Περιέχει 5 – 64 % κλίνκερ και 95 – 36 % σκωρία υψικαμίνου
• CEM IV: Πουζολανικό Τσιμέντο. Περιέχει 45 – 89 % κλίνκερ, 55 – 11 %  πουζολάνες (φυσικές ή τεχνητές) και ιπτάμενη τέφρα
• CEM V: Σύνθετο τσιμέντο. Περιέχει 20 – 64 % κλίνκερ, 18 – 50 % σκωρία υψικαμίνου, 18 – 50 % πουζολάνες και ιπτάμενη τέφρα.

Η τσιμεντοβιομηχανία, εκτός από τις παραπάνω γενικές κατηγορίες τσιμέντων, προσφέρει επιπλέον κατηγορίες με πιο εξειδικευμένα χαρακτηριστικά, όπως:

• Τσιμέντα portland υψηλής αντοχής και ταχείας σκλήρυνσης: Περιέχουν αυξημένη ποσότητα οξειδίου του ασβεστίου, είναι αλεσμένα σε μικρότερη κοκκομετρία  και η όπτηση των πρώτων υλών γίνεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
• Τσιμέντα αλουμινίου (αργιλικά): Περιέχουν λιγότερο οξείδιο του ασβεστίου, περισσότερο οξείδιο του αργιλίου, που προέρχεται από βωξίτη και τελική περιεκτικότητα σε αργίλιο είναι 40 – 45 %. Τα τσιμέντα αλουμινίου έχουν μαύρο χρώμα, μικρό χρόνο σκλήρυνσης και μεγάλη αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιούνται για επιδιορθώσεις, οι οποίες απαιτούν άμεση αποκατάσταση, ως συνδετική ύλη σε επισκευαστικά και συγκολλητικά κονιάματα, στη σκυροδέτηση σε ψυχρές περιοχές, σε πυροπροστατευτικά κονιάματα και σκυροδέματα, σε καπνοδόχους, φούρνους και άλλες κατασκευές, που λειτουργούν με υψηλές θερμοκρασίες.
• Τσιμέντα ανθεκτικά σε θειικά συστατικά: Είναι τσιμέντα με χαμηλό ποσοστό αργιλικού ασβέστιου, ώστε να έχουν μεγαλύτερη αντοχή σε προσβολή από ενώσεις με θειικά συστατικά
• Τσιμέντα λευκά και ημίλευκα: Παρασκευάζονται από ασβεστολιθικά υλικά λευκού χρώματος, χωρίς μεταλλικές προσμίξεις, κυρίως σιδήρου, που δίνουν στο κοινό τσιμέντο το γκρίζο χρώμα. Η όπτησή τους γίνεται σε υψηλότερη θερμοκρασία καύσης. Είναι πλαστικά, χρωματίζονται και χρησιμοποιούνται όπου απαιτείται βελτίωση εμφάνισης της κατασκευής.
• Τσιμέντα ταχύπηκτα: Προέρχονται από ασβεστοαργιλώδη πετρώματα, χωρίς ανάμιξη γύψου, που επιβραδύνει την πήξη. Σε περιπτώσεις στις οποίες χρειάζεται συγκεκριμένος χρόνος πήξης, τα ταχύπηκτα τσιμέντα μπορεί να αναμιχτούν με ποσότητες κοινού τσιμέντου, ασβεστόλιθου ή με ειδικές προσμίξεις, ώστε να επιβραδυνθεί η πήξη τους ακριβώς στον απαιτούμενο χρόνο. Είναι λεπτόκοκκα, ανθεκτικά σε διαβρωτικό περιβάλλον και έχουν καστανοκίτρινο χρώμα. Χρησιμοποιούνται σε επιδιορθώσεις που απαιτείται ταχεία αποκατάσταση, στην σφράγιση οπών, ρωγμών, διαρροών κ.ά. Όταν αναμιχτούν με υλικά που επιβραδύνουν την πήξη (παραπομπή) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επιδιορθώσεις μεγάλων και ειδικών έργων, όπως πίστες αεροδρομίων, λιμενικά έργα κ.ά..
• Τσιμέντα βραδείας πήξης: Είναι τα τσιμέντα τα οποία χρησιμοποιούνται σε μεγάλα έργα υποδομών (γέφυρες, αντιστηρίξεις, φράγματα κ.ά.). Παρασκευάζονται με ειδικές αναλογίες προσμίξεων και αδρανών υλικών, που επιβραδύνουν την πήξη και επιμηκύνουν την περίοδο εργασιμότητάς τους.
• Τσιμέντα μεταβαλλόμενου όγκου: Περιέχουν προσμίξεις, οι οποίες συμβάλλουν μετά την εφαρμογή τους, στη διόγκωση ή συρρίκνωση του όγκου τους, ώστε να καταλήξουν στις επιθυμητές διαστάσεις. Προσμίξεις που προκαλούν διόγκωση είναι η ελεύθερη άσβεστος, το μαγνήσιο και η αύξηση περιεκτικότητας γύψου.  
• Τσιμέντα υγροαπωθητικά: Πρόκειται για κοινό τσιμέντο στο οποίο έχουν προστεθεί μικρές ποσότητες λιπαρών οξέων, τα οποία εμποδίζουν την υδροαπορροφητικότητα και κατά συνέπεια την ύγρανσή τους. Έτσι είναι δυνατή η αποθήκευσή τους επί αρκετές εβδομάδες σε υγρό περιβάλλον. Κατά την παρασκευή κονιαμάτων ή σκυροδεμάτων, απαιτείται πολύ καλή επεξεργασία, ώστε να διαλυθούν οι λιπαρές προσμίξεις.
• Τσιμέντα ενίσχυσης: Περιέχουν προσμίξεις εποξικών ρητινών ή σκληρυντών για τσιμεντενέσεις στις επισκευές και επιδιορθώσεις σκυροδέματος. Οι προσμίξεις είναι συχνά επικίνδυνες για το περιβάλλον, τους χρήστες και ιδιαίτερα το τεχνικό προσωπικό της κατασκευής.

Περιβαλλοντικές ιδιότητες

• Η εμπεριεχόμενη ενέργεια του τσιμέντου είναι σχετικά υψηλή: 1000 έως 1500 kWh/t.
• Οι πρώτες ύλες του τσιμέντου, ο ασβεστόλιθος και η άργιλος, είναι άφθονες. Εξάγονται από λατομεία (νταμάρια), σε μικρή απόσταση από τους τόπους παραγωγής. Η εξαγωγή γίνεται με ανατινάξεις, προκαλεί σοβαρή ηχορύπανση και εκτοξεύει σκόνη και λίθους. Σε γειτνίαση με κατοικημένες περιοχές είναι επικίνδυνη. Απαιτείται, μετά την απόσπαση των πετρωμάτων, η αποκατάσταση του φυσικού χώρου.

Ορισμένα από τα πρόσθετα συστατικά του τσιμέντου, όπως η σκωρία, η ιπτάμενη τέφρα και η πυριτική παιπάλη, είναι παραπροϊόντα άλλων βιομηχανικών διαδικασιών, όπως η παραγωγή ενέργειας και χάλυβα. Η χρήση τους στο τσιμέντο και γενικά στην κατασκευή, λειτουργεί θετικά στο περιβαλλοντικό ισοζύγιο, καθώς η διαχείριση και η απόθεσή τους θα επιβάρυνε το περιβάλλον. Όμως τα αποθέματα αυτών των πρόσθετων είναι   περιορισμένα.

• Τα οικοδομικά απορρίμματα του τσιμέντου μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν στην κατασκευή. Τα υγρά περισσεύματα απορρίπτονται ως αλκαλική λάσπη, η οποία δεν πρέπει να αναμιγνύεται με υδάτινους πόρους.
• Τα ορυκτά τα οποία περιέχονται στις πρώτες ύλες του τσιμέντου είναι πιθανό να περιέχουν βαρέα μέταλλα. Τα περισσότερα από αυτά δε διαλύονται και δεν ενσωματώνονται στο τσιμεντοκονίαμα με εξαίρεση το χρώμιο (VI), ουσία καρκινογόνος και ισχυρά τοξική, ιδιαίτερα σε αλκαλικό περιβάλλον, όπως αυτό του τσιμεντοκονιάματος. Η επαφή του τσιμέντου που περιέχει χρώμιο, με το δέρμα, είναι επικίνδυνη. Η χρήση τσιμέντου με περιεκτικότητα  χρωμίου (VI) άνω των 2ppm περιορίζεται αυστηρά στην ΕΕ, σύμφωνα με την οδηγία 2003/53/ΕC. Για το λόγο αυτό κατά την παραγωγή του τσιμέντου, χρησιμοποιούνται ειδικά πρόσθετα που δεσμεύουν το χρώμιο.

H σκόνη του τσιμέντου δεν πρέπει να εισπνέεται, γιαυτό απαιτούνται κατά τη χρήση του μέτρα προστασίας των αναπνευστικών οδών, αλλά και κατά την επαφή του δέρματος με τσιμέντο, το οποίο  μπορεί να προκαλέσει αλλεργικές δερματίτιδες, χαρακτηριστικές στους οικοδόμους.

Περιβαλλοντικά επιβλαβείς επιδράσεις του τσιμέντου προέρχονται κυρίως από τις εκπομπές των πρώτων υλών, κατά τη διαδικασία παραγωγής, καθώς και από τα καυσαέρια  της παραγωγής του. Για την όπτηση του τσιμέντου χρησιμοποιείται λιθάνθρακας, λιγνίτης και πετρέλαιο. Χαρακτηριστικό είναι ότι στη Γερμανία τα καυσαέρια παραγωγής τσιμέντου αποτελούν περίπου το 17 % των βιομηχανικών και το 3 % των συνολικών εκπομπών καυσαερίων.

Για τη μείωση του κόστους παραγωγής τσιμέντου, συχνά χρησιμοποιούνται, ως δευτερεύουσες καύσιμες ύλες, παλιά ελαστικά, απορρίμματα συγκολλητικών υλών ή έλαια,  τα οποία προσεγγίζουν το 50 % της καύσιμης ύλης.  Τα καυσαέριά τους είναι ρυπογόνα και επικίνδυνα.

Ο περιορισμός επικινδυνότητάς των καυσαερίων της τσιμεντοβιομηχανίας, παρά την  προσπάθεια ελέγχου τους, συναντά σοβαρές δυσκολίες, όπως με το διοξείδιο του θείου (όξινη βροχή) και τις εκπομπές υδραργύρου (από τα ίχνη του σιδηροπυρίτη της σκωρίας).

Το τσιμέντο, ως συστατικό της κατασκευής δεν εγκυμονεί κινδύνους για τους χρήστες της.

Περιορισμός περιβαλλοντικών επιβαρύνσεων

Η παγκόσμια βιομηχανία τσιμέντου έχει επηρεαστεί σημαντικά από το Πρωτόκολλο του Κιότο για τις εκπομπές των «Αερίων του Θερμοκηπίου». Το Πρωτόκολλο ορίζει ένα συγκεκριμένο κόστος περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, που πληρώνει κάθε βιομηχανία, ανάλογα με τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO) της παραγωγικής διαδικασίας που εφαρμόζει.

Στην παραγωγή τσιμέντου, το κόστος του CO αφορά την παραγωγή του κλίνκερ (το CO εκπέμπεται άμεσα από τη χημική αντίδραση των πρώτων υλών), καθώς και την ενέργεια που χρησιμοποιείται για την όπτηση και την άλεση.

Τα τελευταία χρόνια η βιομηχανία τσιμέντου οδηγείται συστηματικά, αφενός στη μείωση του κλίνκερ στο τσιμέντου (με συνακόλουθη αύξηση των προσθέτων) και αφετέρου στη μείωση της χρησιμοποιούμενης ενέργειας. Ενδεικτικά παραδείγματα είναι:

• Παρασκευή τσιμέντου από οξείδιο μαγνησίου (δολομίτη) αντί του ασβεστόλιθου. Αυτό σημαίνει:  α) 50 % μικρότερο ανθρακικό αποτύπωμα, β)  όπτηση στους 700 ^οC, με επακόλουθο τη δυνατότητα καύσης βιομάζας, γ) πρόσθετη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, δ) πληρέστερη ανακύκλωση. 
• Προσπάθεια παρασκευής τσιμέντου, από το 2014, το οποίο θα απαιτεί μόνο το 50 % της ενέργειας παραγωγής του σύγχρονου τσιμέντου, με συνέπεια τη μείωση κατά 50 % της έκλυσης διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
• Μείωση του ποσοστού του κλίνκερ, αύξηση του ποσοστού ειδικών πρόσμικτων και χρήση τεχνολογιών που εξισορροπούν τις παρενέργειες των αυξημένων πρόσθετων.
• Συμπαραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με την αξιοποίηση της θερμότητας που εκλύεται από την παραγωγή τσιμέντου. Πρωτοπόρες στη συγκεκριμένη τεχνολογία είναι η Κίνα και η Ιαπωνία, όπου λειτουργούν ήδη πολλά τέτοιου τύπου εργοστάσια.

Το δίκτυο παραγωγής ηλεκτρισμού του καντονίου της Ζυρίχης  ΕΚΖ (Elektrizitätswerke des Kantons Zürich), δημόσιος οργανισμός, που τροφοδοτεί το 10% περίπου των αναγκών της Ελβετίας σε ηλεκτρικό ρεύμα, σε συνεργασία με την τσιμεντοβιομηχανία Jura Cement (δεύτερη σε μέγεθος  στην Ελβετία), δρομολογούν την εγκατάσταση μιας μονάδας μετατροπής της θερμότητας σε ηλεκτρισμό. Η μονάδα θα λειτουργήσει με τη διαδικασία ORC (organischer Rankine Kreisprozess), από το φθινόπωρο του 2013 και χρηματοδοτείται  από το Υπουργείο Ενέργειας της Ελβετίας, ως επένδυση στρατηγικής σημασίας.

Αξίζει εδώ να επισημανθεί η αρνητική πλευρά του Πρωτοκόλλου του Κιότο, που επιτρέπει στην τσιμεντοβιομηχανία την πώληση του πλεονάσματος δικαιωμάτων CO (εφόσον η παραγωγή CO είναι μικρότερη της προβλεπόμενης), δημιουργώντας έτσι ένα επικερδές παραεμπόριο δικαιωμάτων CO

Τα δικαιώματα εκπομπής CO που δίνονται σε κάθε μονάδα παραγωγής τσιμέντου, είναι ανάλογα της παραχθείσας ποσότητας κλίνκερ την προηγούμενη χρονιά. Η κάθε βιομηχανία επιδιώκει αυξημένα δικαιώματα εκπομπής ώστε να εμπορευτεί αυτά που θα της περισσέψουν. Έτσι ακόμη και σε περιόδους μειωμένης ζήτησης δε μειώνεται ανάλογα η παραγωγή κλίνκερ, για να μη χαθεί το κέρδος που θα αποφέρει, την επόμενη χρονιά, το εμπόριο δικαιωμάτων  CO .