Tsement

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

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

---

Tsemendi segamine

Kundas toodetud tsement

Liigitus

• 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.

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 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.^[1]

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^[2][3] ja kolm sajandit hiljem suuremalt jaolt ka Rooma insenerid^[4]. Vanade roomlaste ja makedoonlaste tsemendikasutus kestis kuni suurte rahvasteränneteni, kus rooma tsement kadus kuni 18. sajandi esimese pooleni.^[5]

18. ja 19. sajand

Tsemendi tootmise tehnikaid arendasid 18. sajandi algul prantsuse ja inglise insenerid^[6]. 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^[1]. 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^[7]. 19. sajandil mängis väga tähtsat rolli ka Isaac Charles Johnson, kes arendas portlandtsemendi tootmist edasi tänapäevasema tootmise poole^[5][8]. Pöördahju võttis kasutusele inglane Frederick Ransome, kes patenteeris seda tüüpi ahju 1885. aastal^[5].

20. sajand

20. sajandi alguses hakati tööstuslikult valmistama pöördahje, mis vähendasid tootmiskulusid ning tõstsid tsemendi kvaliteeti^[5].

Tsemenditootmise algus Eestis Kunda Tsemenditööstuse näitel

Kunda tsemendivabrik 1930. aastatel

Kunda mõisa omanik John Girard de Soucanton otsustas luua 1869. aastal Eestisse Venemaa kolmanda tsemenditööstustehase. 1870. aastal avati Kundas esimene šahtahjudega vabrik^[9]. 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^[10]. 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^[11]. 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^[12].

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^[13]. 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^[14][15][16]. Arendamisel on ka võrdlemisi väikse leelisusega tsemente (pH<11)^[17].

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^[18]. Tsemenditööstuses vabaneb CO₂ atmosfääri nii otseselt kaltsiumkarbonaadi kuumutamisel, saades lupja ja CO₂-, kui ka kaudselt, kui on vaja tootmisel kasutada energiat, mis eraldab CO₂^[19]. Tsemenditööstus eraldab umbes 5% inimtegevusest põhjustatud süsinikdioksiidist, millest 50% tuleneb keemilistest protsessidest tootmise käigus ja 40% kütuste põletamisest^[20].

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^[21].

Teatud rakendustel imab lubjamört endasse sama koguse süsinikdioksiidi kui eraldus selle tootmisel. Samuti on lubjamördi tootmine vähem energiakulukam kui tänapäeva tsemendi tootmine. Novacem^[22] ja Eco-cement on ettevõtted, mis toodavad uut tüüpi tsementi. Nende toodetud tsement imab endasse süsinikdioksiidi samal ajal, kui tsement kõveneb^[23]. 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^[24], 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^[25].

Taaskasutus Eestis Kunda näitel

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^[26].

Tsemendi tootmine maailmas

Tsemendi tootmine riigiti 2013. aastal^[27]

Koht	Riik	Mln tonni
1.	Hiina	2480[28]
2.	India	280
3.	Indoneesia	82,5 (2015)
4.	Iraan	75
5.	Ameerika Ühendriigid	77,8
6.	Brasiilia	70
7.	Türgi	70
8.	Venemaa	65
9.	Vietnam	65
10.	Jaapan	53
11.	Saudi Araabia	50
12.	Lõuna-Korea	49
13.	Egiptus	46
14.	Mehhiko	36
16.	Tai	35
17.	Saksamaa	34
18.	Pakistan	32
19.	Itaalia	29
20.	Alžeeria	21[29]
	Ülejäänud riigid	597
	2013. aasta maailma kogutoodang	4000

Vaata ka

• Aliit
• Mikrotsement

Viited

1. Robert G. Blezard, "The History of Calcareous Cements" in Hewlett, Peter C., ed.. Leaʼs chemistry of cement and concrete. 4. ed. Amsterdam: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2004. 1–24. Print.
2. Brabant, Malcolm (12 April 2011). Macedonians created cement three centuries before the Romans, BBC.
3. Heracles to Alexander The Great: Treasures From The Royal Capital of Macedon, A Hellenic Kingdom in the Age of Democracy, Ashmolean Museum of Art and Archaeology, University of Oxford
4. Hill, Donald (1984). A History of Engineering in Classical and Medieval Times, Routledge, p. 106, ISBN 0415152917.
5. "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 23. november 2015. Vaadatud 22. novembril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link)
6. Sismondo, Sergio (2009). An Introduction to Science and Technology Studies. John Wiley and Sons, 2nd edition, p. 142. ISBN 978-1-4051-8765-7.
7. "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 23. november 2015. Vaadatud 22. novembril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link)
8. Hahn, Thomas F., and Emory Leland Kemp. Cement mills along the Potomac River. Morgantown, WV: West Virginia University Press, 1994. 16. Print.
9. Esimene tehas Kunda Nordic Tsement
10. Teine tehas Kunda Nordic Tsement
11. Kolmas tehas Kunda Nordic Tsement
12. Neljas tehas Kunda Nordic Tsement
13. Cement HSE information sheet
14. CIS26 – cement. Retrieved on 5 May 2011.
15. "Mother left with horrific burns to her knees after kneeling in B&Q cement while doing kitchen DIY". Daily Mail (London). 15 February 2011.
16. Pyatt, Jamie (15 February 2011). "Mums horror cement burns". The Sun (London).
17. Coumes, Céline Cau Dit; Simone Courtois; Didier Nectoux; Stéphanie Leclercq; Xavier Bourbon (December 2006). "Formulating a low-alkalinity, high-resistance and low-heat concrete for radioactive waste repositories". Cement and Concrete Research (Elsevier Ltd.) 36 (12): 2152–2163. doi:10.1016/j.cemconres.2006.10.005.
18. Scalenghe, R., Malucelli, F., Ungaro, F., Perazzone, L., Filippi, N., Edwards, A.C. (2011). "Influence of 150 years of land use on anthropogenic and natural carbon stocks in Emilia-Romagna Region (Italy)". Environmental Science & Technology 45 (12): 5112–5117. doi:10.1021/es1039437.
19. EIA – Emissions of Greenhouse Gases in the U.S. 2006-Carbon Dioxide Emissions. US Department of Energy.
20. The Cement Sustainability Initiative: Progress report, World Business Council for Sustainable Development
21. Chandak, Shobhit. "Report on cement industry in India". scribd. Retrieved 21 July 2011.
22. Novacem. imperialinnovations.co.uk
23. Jha, Alok (31 December 2008). "Revealed: The cement that eats carbon dioxide". The Guardian (London). Retrieved 28 April 2010.
24. "Factsheet on: Thallium" (PDF). Retrieved 15 September 2009.
25. Berkes, Howard (10 November 2011). "EPA Regulations Give Kilns Permission To Pollute : NPR". NPR.org. Retrieved 17 November 2011.
26. "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 23. november 2015. Vaadatud 22. novembril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link)
27. CEMENT U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, February 2014
28. http://www.stats.gov.cn/english/PressRelease/201502/t20150226_685805.html
29. "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 18. oktoober 2014. Vaadatud 22. novembril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link)