Портландцемент. Сырье и условия получения. Способы производства цемента
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция ( 70-80 % ). Портландцемент — продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой (3-5 %) гипса. Клинкер представляет собой зернистый материал (в виде порошка или гранул), полученный обжигом до спекания (при 1450 о С) сырьевой смеси, состоящей в основном из карбоната кальция (различных видов известняков) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.).
Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера. Качество клинкера определяет все свойства портландцемента; добавки же, вводимые в цемент, лишь регулирует его свойства. Качество клинкера зависит от его химического и минерального состава, тщательности подготовки сырьевой массы, условий проведения ее обжига и режима охлаждения.
Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы — мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75 . 78 %) и глинистых пород (25 . 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых — глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс. Гипс необходим для регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гипса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.
Производство портландцемента. Производство портландцемента состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси — получения клинкера; измельчения клинкера с добавками — получения цемента.
По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента.
При мокром способе сырье дробят и размалывают без дополнительной подсушки. Весьма часто помол осуществляют с добавлением воды, глину размешивают в специальных емкостях — болтушках. Смесь готовят тщательным перемешиванием жидких молотых смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь — цементный шлам — содержит до 40 % и более воды.
При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья — помол — осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение.
21. 
Обжиг клинкера. Химический и минералогический состав клинкера
Химический состав клинкера определяется содержанием оксидов (% по массе), причем главных из них: СаО 63- 66, SiQ2 21-24, А1203 4-8, Fe203 2-4; их суммарное количество составляет 95-97%. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить MgO, S03, Na2О и К2О, а также ТiO2, Сг203, Р2О5. В процессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторые из них входят в стекловидную фазу.
Минеральный состав клинкера. Основные минералы клинекера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция.
Алит 3CaO-Si02 (или C3S*) — самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60 °С. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2-4 %) MgO, А1203, Р205, Сг203 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства.
Белит 2CaO-Si02 (или C2S) — второй по важности и содержанию (20-30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. В интервале между нормальной температурой и 1500 °С существу ет пять кристаллических форм двухкальциевого силиката. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор В-двухкальциевого силиката (В-C2S) и небольшого количества (1-3%) А1203, Fe203, MgO, Сг203.
Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки с небольшим уклоном к поверхности земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит до 250 м, диаметр — до 6 м. По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450 . 1500 °С) спекается в гранулы размером 5 . 20 мм и более. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии — в специальных устройствах — холодильниках.
Существует и достаточно прогрессивный способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100 . 1150 °С), в 3 .. .4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал — алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.
Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых мельницах, представляющих собой металлические цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15 . 20 м, которые выложены изнутри бронированными плитами. Мельницы имеют 2 . 3 камеры, отделенные друг от друга металлическими перегородками с отверстиями для прохождения размалываемого материала.
Размол клинкера и постепенное продвижение размалываемого материала обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой мельницы портландцемент подают на склад в силосы, где он остывает и выдерживается некоторое время, достаточное для стабилизации.
Источник
Портландцемент. Сырье, принципы производства.
Портландцемент представляет собой гидравлический вяжущий продукт тонкого помола цементного клинкера, который получается путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава. Сырье, пригодное для получения портландцемента должно иметь 75-78% карбоната кальция и 22-25% глины. Такое природное сырье встречается крайне редко, поэтому заводы производящие цемент отлично работают на искусственных смесях из карбонатных пород и глины. Спёкшаяся сырьевая смесь в виде зерен 40-50 мм называется клинкером.
Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO – 60-68%. SiO2 – 19-25%, оксида алюминия 4-8%, оксида железа 2-6%.
При содержании в портландцементе серного ангидрида SO3 более 3.5% или MgO более 4.5% наблюдается неравномерность изменения объема. Гидравлический модуль портландцемента 1.7 – 2.7. С целью увеличения содержания в портландцементе того или иного оксида в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки, т.е. вещества, содержащие значительное количество того или иного оксида. При помоле клинкера добавляют до 5% гипса для регулирования сроков схватывания.
Улучшение некоторых свойств портландцемента и снижение его стоимости возможно путем введения до 15% активной минеральной добавки при измельчении клинкера. Портландцемент с активными минеральными добавками маркируют следующим образом: ПЦ 500Д15. Без добавок: ПЦ 500Д.
Технология получения цемента
Основные технологические операции выполняющиеся для получения цемента:
Добыча сырья и приготовление сырьевой смеси.
Обжиг сырьевой смеси и получение цементного клинкера.
Помол цементного клинкера с добавкой
Добыча сырья
Добыча сырья является основной в ступени производства цемента. Сырьём для цемента служит слой известняка зеленовато – жёлтого цвета. Добыча ведётся открытым способом. Залегания цементного известняка располагается на глубину до 10 м. неравномерными слоями до 0,7 м. Из опыта геологоразведочных работ таких слоёв, как правило, четыре.
Первичная обработка
После добычи известняк транспортируют и производят специальную сушку и первичный помол с добавлением специальных добавок. В маркировке такого цемента добавляется обозначение Д20, например ПЦ500 Д0 обозначает 0% добавок, а ПЦ 400Д20 — 20% добавок. В конце прохождения этой стадии смеси подвергают обжигу – таким образом получается клинкер.
Конечная обработка
Далее полученный клинкер ещё раз размалывают и сушат с добавлением известкового камня и активными минеральными добавками. Полученный материал является готовым цементом с заданными свойствами.
Поскольку у каждого вида исходного сырья есть свои особенности: минеральный состав, влажность, прочность каждое производство имеет свою уникальную технологию, позволяющую добиться необходимых свойств цемента.
В основном при производстве цемента на второй стадии используют одну из трёх отработанных технологий:
Мокрый способ
Применяется при производстве цемента из сырья состоящий из мела, глины, железосодержащих добавок. Требование к глине по влажности не более 20%, к мелу – не более 29%. Измельчение сырья производится в воде. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Диаметр печи может составлять 7 метров и длиной более 200 метров. В результате обжига получаются небольшие шарики – клинкеры, которые после тонкого помола станут готовым цементом.
Сухой способ
Основным отличием данного способа является то, что сырьё после или во время измельчения не увлажняется, а наоборот сушится. Таким образом, порошкообразная шихта поступает на обжиг уже в сухом виде. Данный вид обработки является наиболее экономически целесообразным, поскольку позволяет экономить не только сырьё, но и энергию, которая при мокром способе тратится на удаления воды из шихты.
Комбинированный способ
Данный способ производства совмещает в себе два способа и предполагает две разновидности технологий.
Мокрым способом готовят сырьевую смесь – шлам. После чего шлам пропускают через фильтры, осушая смесь до 16-18%, а затем отправляют на обжиг.
Химический и минеральный составы портландцементного клинкера.
Химический состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах.
Хим. Св-ва выражает содержание оксидов. Главные оксиды; CaO-63-67%
SiO2_20-24%, Al2O3_4-9%,Fe2O3_2-4% их сумма 95-97%. В небольших количествах могут входить оксиды:MgO. Для обозначения минералов приняты сокращенные написания оксидов CaO-C,SiO2-S
Влияние минералогического состава клинкера на свойства портландцемента.
Повышенное содержание окиси кальция (при условии обязательного связывания в химические соединения с кислотными окислами) обусловливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость.
Цементы с повышенным содержанием кремнезема в составе клинкерной части характеризуются пониженной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки; они отличаются повышенными водо- и сульфатостой-костью.
При повышенном количестве А1203, а следовательно, и алюминатов в составе цементов последние приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки. Цемент при повышенном содержании глинозема характеризуется меньшими водостойкостью, сульфато-стойкостью и морозостойкостью.
14. Физико-механические свойства портландцемента.
1. Абсолютная плотность ρ = 3050 – 3200 кг/м 3
2. Насыпная плотность (ρнц) = 900-1100 кг/м 3 в рыхлом состоянии, 1400-1700 кг/м 3 – в уплотненном состоянии.
3. Тонкость помола.Чем тоньше помол, тем выше скорость схватывания и быстрее нарастает прочность.
4. Влияние длительности хранения цемента на его свойства. При хранении портландцемента на него воздействуют пары воды и углекислый газ воздуха.
5. Водопотребность – количество воды в процентах к массе цемента, необходимой для получения теста нормальной густоты.
6. Связующая способность.Показывает возможность введения в цементное тесто большого количества заполнителей, что уменьшает усадку, увеличивает долговечность, уменьшает расход цемента.
7. Водоотделение и водоудерживающая способность.Водоотделение обусловлено процессами седиментации (осаждением твердых частиц под действием сил тяжести)
8. Сроки схватывания.Схватывание — процесс, при котором цементное тесто постепенно теряет свою подвижность без приобретения прочности, но с потерей удобоукладываемости. Определяют иглой прибора Вика на тесте нормальной густоты.
9. Усадка и набуханиеУсадка происходит при высыхании, а набухание при увлажнении цемента
10. Выделение тепла при твердении цемента.Наибольшее количество тепла и за короткие отрезки времени выделяют цементы с повышенным содержанием C3S и C3A и цементы высоких марок и более тонкого помола.
11. Равномерность измерения объема цемента.При твердении цементного теста иногда наблюдается искривление изделий, их растрескивание, или полное разрушение.
12. Прочность цемента (активность, марка и класс цемента)Прочностные свойства цемента при изгибе и сжатии цемента определяют на образцах – балочках 40×40×160 мм, приготовленных из стандартного мало пластичного (нормальной консистенции) цементного раствора состава 1:3 (цемент: стандартный песок) и = 0,4
13. Влияние условий твердения на прочность портландцемента. Снижение температуры окружающей среды замедляет твердение цементных растворов тем сильнее, чем ниже температура.
14. Огнестойкость и жаростойкость бетонов и растворов.При нагреве бетона свыше 547 °C в цементном камне происходит диссоциация Ca(OH)2 → CaO + H2O (При температуре больше 547 °C) образующаяся известь разрушает изделие.
15. Морозостойкость.Повышают: Уменьшением водоцементного отношения.· Увеличением тонкости помола до S = 5000 – 6000 см 2 /г.
Источник
