Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают высокоосновные силикаты Са (70-80%). Его получают совместным помолом клинкера с добавкой природного гипса (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый камнеподобный материал, получаемый обжигом до спекания (при 1450 0С) тщательно подобранной сырьевой смеси. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания портландцемента.
Открытие портландцемента (1824-1825 гг.) связывают с именами Е.Г.Челиева и Д.Аспдина (Великобритания).
Сырьем для производства портландцемента служат:
- известняки с высоким содержанием СаСО3 (мел, плотный известняк и др.);
- глинистые породы состава Al2O3.nSiO2.mH2O (глины, глинистые сланцы);
- корректирующие добавки (пиритные огарки, трепел, опока, бокситы и др.).
Соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими сырьевой смеси 3:1 (75% известняка и 25% глины).
Возможна замена глинистого и частично карбонатного компонента побочными продуктами промышленности - доменными или электротермофосфорными гранулированными шлаками, а также нефелиновым шламом, получающимся при производстве глинозема.
|
|
Производство портландцемента - сложный технологический и энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить на две основные стадии. Первая - производство клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными добавками.
Производство клинкера складывается из следующих технологических операций:
- добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;
- приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном соотношении;
- обжиг сырьевой смеси до спекания;
- интенсивное охлаждение клинкера;
- складирование клинкера.
Производство портландцемента включает:
- подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);
- дробление гипсового камня;
- помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;
- складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.
Производство клинкера может осуществляться сухим, мокрым и комбинированным способом.
Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно высушенных материалов) с остаточной влажностью 1-2%.
При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде водной суспензии - шлама с влажностью 35-45%. Это наиболее энергоемкий способ.
Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16-18%. Однако энергоемкость производства в целом остается высокой.
|
|
Обжиг сырьевой смеси осуществляется в основном во вращающихся печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и вращается со скоростью 1-2 об/мин. При мокром способе производства длина печи достигает 185 м. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему (горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные физико-химические превращения, в результате которых и получается цементный клинкер. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается холодным воздухом. Клинкер выдерживают на складе 1-2 недели.
Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе):
СаО - 63-66 %, SiO2 - 21-24 %, Al2O3 - 4-8 %, Fe2O3 - 2-4 %.
В процессе обжига, доводимого до спекания смеси, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая их часть входит в стекловидную фазу.
Минеральный состав клинкера:
- алит 3СаО. SiO2 (С3S) - 45-60% - самый важный минерал, определяет быстроту твердения, прочность и другие свойства;
- белит 2СаО. SiO2 (С2S) - 20-30% - медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительных сроках твердения;
- трехкальциевый алюминат 3СаО. Al2O3 (С3А) - 4-12% - быстро гидратируется и твердеет, но конечная прочность его небольшая; является причиной сульфатной коррозии цементного камня;
- четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО. Al2O3 .Fe2O3 (С4АF) - 10-20% по скорости твердения занимает промежуточное положение между С3S и С2S.
- клинкерное стекло 5-15% - затвердевшая в виде стекла часть расплава, содержит СаО, Al2O3 , Fe2O3 , MgO, К2О, Na2O.
- свободные оксиды кальция и магния могут присутствовать в виде зерен (СаО своб) и в виде минерала периклаза (MgО своб); их содержание не должно превосходить 1% и 5% соответственно; в случае их повышенного содержания может проявляться неравномерное изменение объема цемента при твердении и появление трещин;
- щелочные оксиды Na2O и К2О – их содержание не должно превышать 0,6%, так как при большем содержании они могут явиться причиной коррозии цементного бетона.
Твердение портландцемента происходит благодаря сложным физико-химическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой.
2(3СаО. SiO2) + 6H2O = 3СаО. 2SiO2. 3H2O + 3Са(ОН)2
гидросиликат Са гидроксид Са
2(2СаО. SiO2) + 4H2O = 3СаО. 2SiO2. 3H2O + Са(ОН)2
3СаО. Al2O3+ 6H2O = 3СаО. Al2O3. 6H2O
гидроалюминат Са
В присутствии 3-5% гипса образуется практически нерастворимое соединение - гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), который предотвращает быструю гидратацию С3А за счет образования защитного слоя на его поверхности и замедляет схватывание.
Кроме того, роль добавки гипса состоит в улучшение свойств цементного камня (прочности, морозостойкости) за счет уплотнения структуры, связанного с увеличением объема эттрингита в еще не затвердевшей системе.
3СаО. Al2O3 + 3(СаSO4.2H2O) + 26 H2O = 3СаО. Al2O3 . 3СаSO4.32H2O
гидросульфоалюминат кальция (эттрингит)
4СаО. Al2O3 . Fe2O3 + mH2O = 3СаО. Al2O3 . 6H2O + СаО. Fe2O3. nH2O
гидроалюминат Са гидроферрит Са
Структура цементного камня может быть представлена как микроскопическая неоднородная дисперсная система - “микробетон” (по В.Н. Юнгу).
Цементный камень включает:
- продукты гидратации цемента
* гель гидросиликатов (до 75% объема) и другие новообразования;
* кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита;
- непрореагировавшие зерна клинкера - клинкерный фонд;
|
|
- поры:
* поры геля (менее 0,1 мкм),
* капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм) между агрегатами частиц геля,
* воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).
Свойства портландцемента
Тонкость помола цемента определяет быстроту твердения и прочность цементного камня. Она должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 85% массы пробы (Sуд = 2500-3000 см2/г.).
Истинная плотность = 3,05-3,15 г/см3.
Насыпная плотность в среднем составляет 1300 кг/м3.
Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты и составляет 22-28%.
Сроки схватывания цементов определяют с помощью прибора Вика (табл. 6.2). Для информации в таблице приведены сроки схватывания и основного алюминатного цемента – глиноземистого.
Таблица 6.2