Tsement

Tsement (ka portlandtsement; saksa keeles Zement < ladina keeles caementum 'purustatud kivi, kivipuru') on hüdrauliliste sideainete hulka kuuluv laialt kasutatav ehitusmaterjal. 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.

On olemas kaht tüüpi tsemente: mittehüdrauliline tsement ja hüdrauliline tsement.
Mittehüdrauliline tsement, kus kuivaines ei tahkestu veega kokkupuutel, vaid õhus leiduva süsinikdioksiidi tõttu. Mitmed agressiivsed kemikaalid võivad aga hiljem seda tüüpi tsementi kahjustama hakata. 
Hüdrauliline tsement, kus kuivaines tahkestub veega kokkupuutel. Hüdrauliliseks tsemendiks loetakse näiteks portlandtsementi, mis on tänapäeval peamine kasutusel olev tsement.

Tsemendi keemiline koostis
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.

Tsemenditootmise ajalugu

Antiikajal kasutatud alternatiivid tsemendi asemel 
Tsemendiks peetakse produkti, 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 seega tsementeeruvaks aineks.

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 aga kasutasid 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. sajand 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 alustas tööd kolmas tehas, mis töötas juba pöördahjudega. Sellega seoses ei olnud enam teist tehast vaja ja seal hakati järk-järgult tööd lõpetama. Kolmas tehas kasutas algselt 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 praeguseni.

Tsemendi füüsikalised omadused
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.

Ohutus
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, nagu näiteks raudsulfaat (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, nagu näiteks kindaid ja muud kaitsevahendite hulka kuuluvat. Arendamisel on ka võrdlemisi väikse leelisusega tsemente (pH<11).

Tsemenditööstuse mõju keskkonnale
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.

CO2 hulk, mida tsemenditööstus tekitab, on 900 kg CO2 1000 kg toodetud tsemendi kohta. Alates 1970. aastatest on Euroopa Liidus kahandatud energia tarbimist klinkri valmistamiseks 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 säästab raskete toormaterjalide transpordikulu, mis tuleneb toormaterjali toomisest kaugemalt ning muudest sellega seonduvatest 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 firmad, mis tegelevad uut tüüpi tsemendi tootmisega. 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.

Taaskasutus Eestis Kunda näitel
AS Kunda Nordic Tsement on kaasanud oma töösse ka jäätmete kasutamise ressursina. Fossiilkütuseid on klinkriahjudes asendatud alternatiivkütustega ning sellega on asendatud 32,4% tootmisprotsessi soojusenergia vajadusest. Sellega aga on kaasnenud teiselt poolt suurem küttevajadus, sest alternatiivkütused annavad vähem energiat.

Tsemendi tootmine maailmas
Tsemendi tootmine riigiti 2013. aasta seisuga

Vaata ka
Aliit
Mikrotsement

Viited

Ehitusmaterjalid
Keemiatööstus