Tsement

See artikkel räägib ehitusmaterjalist; tsemendi kohta geoloogias vaata artiklit Tsement (geoloogia) ja anatoomias Tsement (luukude).

Seda kasutatakse suure tugevuse ja kõvaduse saavutamiseks, eriti betooni tootmisel. Tsementi kasutatakse maa- või veealustes betoon- ja raudbetoonkonstruktsioonides, samuti ehitusmörtides koos lubja, savi ja teiste plastifitseerivate täitematerjalidega.

• Mittehüdrauliline tsement – kuivaines ei tahkestu veega kokkupuutel, vaid õhus leiduva süsinikdioksiidi tõttu. Mitmed agressiivsed kemikaalid võivad aga hiljem seda tüüpi tsementi kahjustama hakata.

• Hüdrauliline tsement – kuivaines tahkestub veega kokkupuutel. Hüdrauliliseks tsemendiks loetakse näiteks portlandtsementi, mis on tänapäeval peamine kasutusel olev tsement.

Tsement on suhteliselt veekindel, eriti sulfaattsement, mida kasutatakse vesiehitistes, sest see sisaldab vähe vees lahustuvaid aineid. Selle põhilised koostisosad on ränioksiid SiO₂, alumiiniumoksiid Al₂O₃ ja raud(III)oksiid Fe₂O₃, mille molekulid on seotud lubjamolekulidega. Tsemendi kivistumisel toimub ühinemine veega ehk hüdratatsioon, mille käigus moodustuvad ühendid eelkõige ränioksiidiga. Kristalliseerumise tulemusena tekivad vees lahustumatud hüdrosilikaadid.

Antiikajal kasutatud tsemendialternatiivid

Tsemendiks peetakse saadust, milles lubi toimib peamise tsementeeriva ainena, aga lubi pole esimene materjal, mida on tsementeerumiseks kasutatud. Assüürlased ja babüloonlased kasutasid bituumenit, et põletatud telliseid või alabastriplaate omavahel siduda. Egiptuses seoti kiviplokke omavahel mördiga, mis koosnes liivast ja põletatud kipsist. Kips omakorda sisaldas tihti kaltsiumkarbonaati ehk lupja, mis oli tsementeeruv aine.

Lupja kasutati ka Kreetal ja Vana-Kreekas. On leitud tõendeid, et minoalased Kreetalt kasutasid purustatud potikilde kunstlikuks putsolaaniks hüdraulilise tsemendi jaoks. Täpselt pole teada, kus avastati, et segades hüdraaditud mittehüdrauliline lubi ja putsolaan, moodustub hüdrauliline side. Sellest segust tehtud betooni kasutasid juba vanad makedoonlased ja kolm sajandit hiljem suuremalt jaolt ka Rooma insenerid. Vanade roomlaste ja makedoonlaste tsemendikasutus kestis kuni suurte rahvasteränneteni, kus rooma tsement kadus kuni 18. sajandi esimese pooleni.

18. ja 19. sajand

Tsemendi tootmise tehnikaid arendasid 18. sajandi algul prantsuse ja inglise insenerid. Sealt edasi katsetati mitmeid meetodeid, et saada hea tsement, ning 1824. aastal patenteeris Joseph Aspdin portlandtsemendi. Ta kutsus seda portlandtsemendiks sellepärast, et see meenutas värvi poolest Portlandi saarel kaevandatud lubjakivi. Tegu oli esimese sammuga kaasaegse portlandtsemendi poole ning seda kutsuti ka proto-portlandtsemendiks. Aspdini meetodi puhul tehakse täpne kogus lubjakivi ja savi pulbriks, see põletatakse klinkriks ning jahvatatakse tsemendiks. Sellega võiks lugeda tema patenti oluliseks portlandtsemendi arengu etapis. 19. sajandil mängis väga tähtsat rolli ka Isaac Charles Johnson, kes arendas portlandtsemendi tootmist edasi tänapäevasema tootmise poole. Pöördahju võttis kasutusele inglane Frederick Ransome, kes patenteeris seda tüüpi ahju 1885. aastal.

20. sajand

20. sajandi alguses hakati tööstuslikult valmistama pöördahje, mis vähendasid tootmiskulusid ning tõstsid tsemendi kvaliteeti.

Tsemenditootmise algus Eestis Kunda Tsemenditööstuse näitel

 

Kunda mõisa omanik John Girard de Soucanton otsustas luua 1869. aastal Eestisse Venemaa kolmanda tsemenditööstustehase. 1870. aastal avati Kundas esimene šahtahjudega vabrik. Esimese tehase laiendus ehk teine tehas saadi valmis 1898. aastal. Uus tehas oli kaasaegsem nii tehnoloogialt kui ka seadmetelt. Samuti asendati senine tooraine lubjamergel lubjakiviga, sest seda leidus Kunda lähedal küllalt. 1912. aastal pandi tööle kolmas tehas, mis töötas juba pöördahjudega. Sellega seoses ei olnud enam teist tehast vaja ja seal hakati järk-järgult tööd lõpetama. Kolmas tehas kasutas algul kütuseks kivisütt, hiljem aga mindi täielikult üle põlevkivile. 1965. aastal suleti lõplikult kolmas tehas. Neljas ehk kõige uuem ja siiani kasutuses olev tehas valmis neljas etapis ja lõplikult 1974. aastal. 1992. aastal võttis tsemenditehase tootmise üle vana ettevõte väliskapitali osalusega AS Kunda Nordic Tsement. AS Kunda Nordic Tsement tegutseb tänini.

Tsement erineb põhimõtteliselt teistest sideainetest (kips, kustutamata ja kustutatud lubi), mis kas kõvenevad ainult õhu käes või jätkavad kõvenemist õhu käes kõvenemise järel niiskuse kätte sattudes.

Tsemendi põhinäitajad on tugevusklass, eeltugevus, normtugevus ja tardumise algus.

Tsemendi mark ja tugevusklass määratakse tsementmördist (vahekorras 1:3 tsemendist ja kvartsliivast) valmistatud 2 ja 28 päeva vanuste 40×40×160 mm mõõtmetega katsekehade testimise abil. Test seisneb katsekeha allutamises survele 10–60 MPa sammuga 10 MPa. Vastavalt sellele, missugusele survele katsekeha vastu peab, saadakse tugevusklass ja mark vahemikus 100–600. Mark ja tugevusklass erinevad üksteisest selle poolest, et mark näitab keskmist survet, millele katsekeha vastu peab, tugevusklass seevastu näitab, millisele survele peab vastu 95% katsekehadest. Seetõttu on tsemendi mark tavaliselt kõrgem kui tugevusklass.

Tsemendikottidel on üldjuhul olemas tervist ja ohutust puudutavad sildid, sest tsement on tugeva leelisusega ja tsementeerumise protsess on eksotermiline. Märg tsement on väga söövitav ja leeliseline (vee pH = 13,5), mistõttu nahale sattudes tuleb see kohe veega maha pesta, et vältida nahaärritust või põletushaavu. Sarnaselt märja tsemendiga võib kuiv tsemendipulber ärritada limaskesti, näiteks hingamisteid või silmi. Mõned jälgelemendid, näiteks kroom, võivad põhjustada allergilist dermatiiti, mis tuleneb toormaterjali ebapuhtusest tsemendi tootmisel. Tsemendile lisatakse tihti ka redutseerivaid aineid, näiteks raudsulfaati (FeSO₄), mis aitab kantserogeenset kuuevalentset kromaati (CrO42-) kolmevalentseks kroomiks muuta, mis on kroomi vähem mürgine olek. Kõik, kes tsemendiga kokku puutuvad, peavad kandma ette nähtud kaitsevahendeid. Arendamisel on ka võrdlemisi väikse leelisusega tsemente (pH<11).

Tsemendi tootmine avaldab mõju keskkonnale selle igas tootmisetapis. Selle hulka võib lugeda tolmu, gaase, müra ja vibratsiooni, mis tekivad suurte masinate kasutusega ja tehes plahvatustöid kaevandustes. Samuti kannatavad kaevandamise all looduslikud alad. Kaevandamisel ja lõhkamisel on laialt kasutusele võetud ka seadmeid, mis vähendavad tolmu levikut ning ühtlasi on hakatud rohkem kasutusele võtma seadmeid, mis koguvad ja eraldavad heitgaase, et puhtasse õhku pääseks vähem mürgiseid kemikaale. Pärast kaevanduste sulgemist kaevandused rekultiveeritakse või taastatakse võimalikult looduslähedasse olekusse, mis oli enne kaevandamist.

CO₂ emissioon

Süsiniku sisaldus tsemendis võib varieeruda ~ 5–8%, kus esimesel juhul on tsementi kasutatud ehitistes ja teisel juhul teetöödel. Tsemenditööstuses vabaneb CO₂ atmosfääri nii otseselt kaltsiumkarbonaadi kuumutamisel, saades lupja ja CO₂-, kui ka kaudselt, kui on vaja tootmisel kasutada energiat, mis eraldab CO₂. Tsemenditööstus eraldab umbes 5% inimtegevusest põhjustatud süsinikdioksiidist, millest 50% tuleneb keemilistest protsessidest tootmise käigus ja 40% kütuste põletamisest.

Tsemenditööstus tekitab 900 kg CO₂ 1000 kg toodetud tsemendi kohta. Alates 1970. aastatest on Euroopa Liidus suudetud klinkri valmistamise energiakulu vähendada ligikaudu 30%.

Lubjakivist tsemendi tootmisel väheneb lubjakivi mass tunduvalt, sest sellest tulenevast keemilisest reaktsioonist eraldub suurel hulgal süsinikdioksiidi. Majanduslikult on kasulikum tsemenditööstuseid asutada lähemale lubjakivikarjääridele kui tarbijaskonnale. See annab säästu raskete toormaterjalide transpordilt, mis tuleneb toormaterjali toomisest kaugemalt ning muudest sellega seotud kuludest.

Teatud rakendustel imab lubjamört endasse sama koguse süsinikdioksiidi kui eraldus selle tootmisel. Samuti on lubjamördi tootmine vähem energiakulukam kui tänapäeva tsemendi tootmine. Novacem ja Eco-cement on ettevõtted, mis toodavad uut tüüpi tsementi. Nende toodetud tsement imab endasse süsinikdioksiidi samal ajal, kui tsement kõveneb. Üks energiasäästlikke viise on kasutada ka Kalina tsüklit ehk soojust, mis tekib maapõues.

Raskmetallid õhus

Kuumutades lubjakivi ja savimineraale tekivad teatud juhtudel gaasid, mis sisaldavad raskmetalle. Need raskmetallid tulenevad tooraine koostisest ja päritolust. Mürgisemad neist on näiteks tallium, kaadmium ja elavhõbe. Raskmetalle leidub tüüpilistes rauasulfiidides, nagu näiteks püriidis, sfaleriidis ja galeniidis. Neid sulfiide leidub aga ka tsemendi tooraines (settekivimeis nagu lubjakivi) sekundaarsete mineraalidena. Paljudes riikides on raskmetallide emissioon kindlate seadustega reguleeritud. Alates 2011. aastast võib seaduslikult USA tsemendiahjudest rohkem mürkaineid atmosfääri paisata kui ohtlike jäätmete põletamisega.

AS Kunda Nordic Tsement kasutab oma tootmisprotsessis ära võimalikult palju jäätmeid. Fossiilkütuste asemel on klinkriahjudes võetud kasutusele alternatiivkütused, sel moel on kaetud nüüd 32,4% tootmisprotsessi soojusenergia vajadusest. Teisalt on see suurendanud küttevajadust, sest alternatiivkütused annavad vähem energiat.

Tsemendi tootmine riigiti 2013. aastal

• Aliit
• Mikrotsement