Производство и свойства портландцемента

1.

Введение

Проблемы рационального использования материальных ресурсов, экономии, снижения издержек в наше время приобретают особую актуальность. Грамотно построенные технологические схемы, позволяющие максимально полно использовать последние достижения научно-технического прогресса в деле экономии материальных ресурсов, являются залогом успеха как отдельных предприятий, так и экономики страны в целом. Особенно остро проблемы экономии минеральных вяжущих веществ, в частности портландцемента, стоят перед предприятиями строительной отрасли, занятыми в производстве сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней, элементов мощения и благоустройства. В настоящее время именно портландцемент является одним из наиболее широко используемых дорогостоящих и дефицитных строительных материалов. Таким образом, вопросы экономии портландцемента неразрывно связаны с проблемой более рационального использования материальных ресурсов в практике современного строительства. Портландцемент — вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах; название получил от г. Портленд (Portland) в Англии. Основой портландцемента является силикат кальция, также известный как портландит.

Портландцемент представляет собой порошок серовато-зеленого цвета, насыпная плотность которого в зависимости от степени уплотнения — 900−1600 кг/м3. При взаимодействии портландцемента с водой происходит образование новых гидратных соединений, обуславливающих схватывание и твердение цементного теста, растворной или бетонной смеси.

На этом явлении и основано использование цемента как вяжущего материала. Портландцемент является наиболее дорогостоящим компонентом бетонной смеси.

Производство портландцемента возможно только на специализированных предприятиях — цементных заводах.

Дробление сырья, тонкий помол компонентов, высокая температура обжига сырьевой смеси, повышенный расход электроэнергии — все это оказывает влияние на конечную стоимость продукта. Однако высокая стоимость портландцемента объясняется не только сложностью его производства, но и постоянным дефицитом этого материала. Сезонный дефицит портландцемента, а, соответственно, увеличение отпускных цен, с которых обычно начинается весенний строительный сезон, открывает широчайшие возможности бессовестной спекуляции при оптовой и розничной перепродаже портландцемента. И все же, не смотря на высокую стоимость и постоянный дефицит портландцемента, перерасход этого дорогостоящего материала в отечественном строительстве поистине огромен, что, прежде всего, связано с низкой культурой производства и глубоким непониманием основных факторов, влияющих на практическую активность портландцемента.

Одними из основных причин перерасхода портландцемента в современном строительстве являются: дефицит высококачественных заполнителей (щебня, гравия, песка); невысокая изначальная активность портландцемента; снижение активности портландцемента вследствие неудовлетворительных условий хранения и транспортировки; низкая культура производства бетонных изделий.

В тоже время существующие отечественные разработки позволяют значительно увеличить активность рядового портландцемента, восстановить активность лежалого портландцемента, и, тем самым, существенно снизить расход портландцемента в производстве строительных материалов, изделий и конструкций. Применение высокоактивного портландцемента, в частности особо быстротвердеющего портландцемента, в практике современного строительства имеет исключительно важное значение. Быстротвердеющий портландцемент целесообразно применять при изготовлении высокопрочных, обычных и преднапряженных железобетонных изделий и конструкций. Применение быстротвердеющего портландцемента позволяет значительно сократить потребность в металлических формах, в некоторых случаях полностью отказаться от тепловой обработки изделий при возведении сооружений из монолитного бетона, сократить сроки выдержки железобетонных конструкции в опалубке.

2. Сырье и технология изготовления портландцемента Портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5…3%). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.

2.1 Производство Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол его совместно с добавками. Клинкер имеет следующий химический состав (%): СаО — 62…68, SiO₂ — 18…26, А1₂О₃ — 4…9, Fе₂О₃ — 2…6. Чаще используют известняк и глину в соотношении 3:1. В сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь (рис. 8.1.) подают на обжиг во вращающуюся печь, диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3…4?) углом к горизонту и вращается (0,8…1,3 мин^-1), благодаря этому сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450° С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с оксидами SiO₂, А1₂О₃ и Fе₂О₃, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют портландцементный клинкер — плотные твердые гранулы серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 1.) и небольшое количество стеклообразного вещества.

Таблица 1. Минеральный состав портландцементного клинкера

Примечание: В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов Портландцементный клинкер (на 60…80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент называют силикатным цементом.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера. При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах, а транспортируют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах.

2.2 Способы производства В зависимости от технологических особенностей приготовления сырьевых смесей различают три способа производства портландцемента, мокрый, сухой и комбинированный.

При мокром способе производства измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде тонкодисперсной сметанообразной водной суспензии — шлама. Обжиг ведут в длинных вращающихся печах с внутрипечными теплообменниками. При сухом способе сырьевую шихту готовят в виде тонко измельченного сухого порошка — сырьевой муки, поэтому перед помолом или в ходе его сырьевые материалы высушивают. Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с запечными теплообменниками. При комбинированном способе производства сырьевую смесь готовят по технологии мокрого способа в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16—18% и тонко измельчают в дробилках-сушилках.

Каждый из способов производства имеет свои преимущества и недостатки. Так, при мокром способе в присутствии воды облегчается измельчение материалов, легче достигается однородность смеси, надежнее и проще транспортировка шлама, лучше условия труда. Однако при этом способе расход топлива на обжиг на 30—40% больше, чем при сухом способе. Кроме того, необходимо использовать более габаритные и соответственно металлоемкие печи, так как значительная часть печного пространства выполняет функцию испарителя механически примешанной воды из шлама.

Основное преимущество сухого способа производства — существенное снижение расхода теплоты на обжиг клинкера — до 3,4— 4,2 кДж/кг по сравнению с 5,8—6,7 кДж/кг при мокром способе. Объем печных газов (при одинаковой производительности печей) при сухом способе на 35—40% меньше, чем при мокром.

При сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются лучшие возможности для использования теплоты отходящих газов для сушки сырья, что позволяет снизить общий расход топлива, но при этом усложняется технологическая схема. Важнейшее преимущество сухого способа производства возможность получения более высоких удельных съемов клинкера в печных агрегатах, что позволяет использовать печи производительностью до 6000—10 000 т/сут. К недостаткам этого способа следует отнести относительную сложность корректировки состава шихты, повышение расхода электроэнергии, а также увеличение количества единиц технологического оборудования и усложнение схемы производства.

Одним из важнейших условий при компоновке основных агрегатов при проектировании заводов сухого способа является стремление к наиболее полному использованию теплоты отходящих газов, так как только в этом случае данный способ является эффективным. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных высокопроизводительных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного работающего примерно на 40%, уменьшение на 10% себестоимости продукции.

3. Твердение и свойства портландцемента Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений. По этой схеме взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит С₃S и белит С₂S:

2(3СаО? SiO₂) + 6Н₂O > ЗCаО? SiO₂? 3Н₂О + 3Са (ОН)₂

2(2СаО? SiO₂) + 4Н₂О > 3СаО? SiO₂? 3Н₂О + Са (ОН)₂

Трехкальциевый силикат С₃S взаимодействует с водой намного активнее, чем С₂S; при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са (ОН)₂ -создающий щелочную реакцию в твердеющем цементе; С₃S выделяет Са (ОН)₂ в 3 раза больше, чем С₂S; общее количество Са (ОН)₂ достигает 15% от массы цементного камня.

Алюминат кальция С₃А подвергается только гидратации. Этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов

3СаО? А1₂О₃ + 6Н₂О > 3СаО? А1₂О₃? 6Н₂О Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита 3СаО? А1₂О₃?3СаSО₄? (31−33)Н₂О, обладающего развернутой поверхностью и экранирования частиц минерала С₃А.

Четырехкальциевый алюмоферрит С₄АF взаимодействует с водой медленнее, чем С₃А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.

4CaO Al₂O₃? Fe₂O₃ + 12 H₂O > 3CaO? Al₂O₃? 6H₂O + CaO? Fe₂O₃ 6H₂O

Основной продукт твердения портландцемента — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, также влияют на его свойства. Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время. Процесс может протекать при наличие воды в твердеющем материале. Качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им через 28 суток твердения.

3.1 Коррозия цементного камня Коррозия цементного камня. Если вода или водные растворы солей и кислот фильтруются сквозь цементный камень, то начинается его разрушение Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). При взаимодействии с водой силикатов кальция выделяется Са (ОН)₂, около 15% от объема всех продуктов твердения. Растворимость Са (ОН)₂ в воде около 2 г/л. Поэтому происходит вымывание Са (ОН)₂ и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са (ОН)₂ из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, используют цементы с пониженным содержанием С₃S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Сa (OH)₂ в менее растворимые гидросиликаты кальция nCaO? SiO₂?mH₂O.

Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента. Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SО^2-₄ (в частности, растворы СаSО₄). причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). Он образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне с поступающими с водой ионами Са²⁺ и SО^2-₄ по следующей схеме:

3СаО?А1₂О₃?6Н₂О + 3Са²⁺ + 3SО^2-_-4 + 25Н₂О =

3СаО?А1₂О₃?3СаSО₄?31Н₂О Объем эттрингита в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Это эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов. Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: правильный выбор типа цемента и снижение капиллярной пористости цементного камня.

3.2 Свойства портландцемента К ним относятся, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня. Истинная плотность портландцемента составляет 2900…3200 кг/м³, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000…1100 кг/м³, в уплотненном — до 1600 кг/м³.

Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой № 008, (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95% цемента, при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2000…3000см²/г. Сроки схватывания портландцементаначало, не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40×40×160мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состава 1:3) стандартной консистенции и твердевших 28 суток. Портландцемент выпускают марок: 400; 500; 550 и 600. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако, если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), возможен разогрев бетона до температуры 70…80° С, что приведет к его растрескиванию.

При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5…1мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч. Неравномерность изменения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и МgО, находящихся в виде пережога. Портландцементы и шлакопортландцементы применяют для изготовления бетонов и железобетонных конструкций.

портландцемент сырье производство

4. Шлакопортландцемент и другие виды цементов Разновидности цементов представлены в таблице 2

Таблица 2. Разновидности портландцемента

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция.

Однокальциевый алюминат СаО· Al₂O₃ определят быстрое твердение и др. свойства. В нем содержатся и другие алюминаты кальция, например, 2СаО· Al₂O₃. Цемент изготовляют из известняка СаСО₃ и бокситов содержащих глинозем Al₂O₃· nH₂O. Получают этот цемент путем плавки в доменной печи бокситовой руды и железного лома. При этом доменная печь одновременно выдает чугун и шлак, представляющий собой клинкер глиноземистого цемента.

Глиноземистый цемент марок 400, 500 и 600 обладают необычно быстрым твердением через трое суток и нормальными сроками схватывания. Начало схватывания не ранее 30мин. и конец схватывания не позднее 12 часов, тепловыделение при твердении в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится гидроксида кальция, Са (ОН)₂ и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (С₃· А·Н₆), если температура твердения не превышает 25^оС, поэтому бетон на глинозёмистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания Са (ОН)₂, а также в растворах сульфата кальция и магния (в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя смешивать с портландцементом и известью.

С учетом специфических свойств и высокой стоимостью глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердеющих, а также жаростойких бетонов и растворов и расширяющихся цементов.

4.1 Расширяющиеся и безусадочные цементы Состав цемента дает возможность регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмината кальция (3СаО· Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O) и избежать появления больших напряжений, вызывающих растрескивание затвердевшего цементного камня.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) получают совместным тонким измельчением в мас., % портландцементного клинкера — 58…63, глиноземистого шлака или клинкера — 5…7, гипса — 7…10, доменного граншлака или другой активной минеральной добавки — 23…28. РПЦ отличается быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня и способностью расширяться при постоянном увлажнении в течение первых трех суток.

5. Процесс активации портландцемента Хорошо известно, что основные свойства портландцемента, в том числе, активность, скорость твердения определяются не только химическим и минералогическим составом клинкера, формой и размерами кристаллов алита и белита, наличием тех или иных добавок, но и, в большой степени, тонкостью помола продукта, его гранулометрическим составом и формой частичек порошка. Повышение прочности портландцемента в первые сроки твердения в значительной степени обуславливается именно тонкостью помола. В настоящее время обычные портландцементы измельчают до остатка на сите № 008 5−8% (по массе), цементы же быстротвердеющие — до остатка 2−4% и меньше. При этом удельная поверхность соответственно достигает 2500−3000 и 3500−4500 см2/г и более. Таким образом, с увеличением тонкости помола портландцемента повышается его прочность. Увеличение прочности цементного камня открывает широкие возможности снижения расхода портландцемента при производстве бетонных изделий нормируемых показателей прочности. Комплекс мероприятий, позволяющих более полно использовать массу цементных частиц в деле склеивания отдельных зерен заполнителя в единый монолит — искусственный камнеподобный материал — называется активацией портландцемента. Однако было бы неверно рассматривать процесс активации портландцемента исключительно с позиции увеличения дисперсности цементного порошка. Помимо тонкости помола, а соответственно площади контактной поверхности цементного зерна, на его активность также оказывает влияние и сама структура этой поверхности. Под воздействием механического нагружения цементных зерен возникают физические дефекты в подрешетках и решетках минералов, что значительно ускоряет элементарные взаимодействия поверхностного слоя вяжущего с водой. Происходит сокращение времени набора портландцементом марочной прочности, более полно используется потенциальная энергия вяжущего вещества.

Не секрет, что зачастую реальная марка портландцемента, доставленного потребителю, не соответствует марке, заявленной производителем. Реальная (практическая) активность портландцемента зачастую оказывается существенно сниженной по причине нарушения технологического процесса при его производстве, длительного либо неправильного хранения и т. д. Перечисленные факторы способны существенно изменить показатели активности цемента в худшую сторону, что и заставляет строителей увеличивать расход портландцемента для получения бетонных изделий нормируемых характеристик. Особенно остро проблема несоответствия заявленной марки портландцемента реальной стоит перед предприятиями строительной отрасли занятыми в производстве сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней, элементов мощения и благоустройства. Специфика производства подобных изделий из бетона предполагает помимо точного соблюдения дозировок компонентов бетонной смеси, жесткий контроль основных физико-механических характеристик выпускаемой продукции. Таким образом, для получения заданных показателей бетона (прочности, морозостойкости) необходима частая корректировка состава смеси с учетом активности поступающего на предприятия портландцемента. Вынужденное увеличение расхода портландцемента для получения изделий нормируемых характеристик резко увеличивает себестоимость выпускаемой продукции и ставит производителя в жесткую зависимость от множества случайных факторов, оказывающих влияние на активность портландцемента. Комплекс мероприятий по активации портландцемента непосредственно на производстве бетонных изделий позволяет не только оптимизировать расход дорогостоящих вяжущих веществ, но и открывает возможности получения портландцемента, свойства которого изменены с учетом специфики производства. На каждом конкретном предприятии строительной отрасли может быть принято решение о наиболее рациональном использовании результатов активации: снижение расхода портландцемента, получение бетонных изделий повышенной прочности, сокращение сроков набора изделиями распалубочной прочности и т. д. В отдельных случаях для восстановления марки портландцемента достаточно использовать агрегаты измельчения малой мощности и низкого помольного эффекта. В других случаях для повышения прочности портландцемента на 1−2 марки возможно применение высокопроизводительных агрегатов активации цементного зерна. В каждом случае производитель бетонных изделий имеет возможность выбора необходимого оборудования активации портландцемента для решения конкретных задач данного производства.

Список используемой литературы

1. Бутт Ю. М., Дудеров Г. Н., Матвеев. Общая технология силикатов, — Киев: Вища школа, 983.

2. Сулименко Л. М. Общая технология силикатовМ, ИНФРА-М, 2004; 336с.