Производство портландцемента.

Общая классификация цементов

В соответствии с ГОСТ 30515-97 "Цементы. Общие технические условия" цементы классифицируются: по назначению, виду клинкера, вещественному составу, по прочности на сжатие, скорости твердения, срокам схватывания.

По назначениюцементы подразделяют на :

- общестроительные;

- специальные.

По виду клинкерацементы подразделяют на основе:

- портландцементного клинкера;

- глиноземистого (высокоглиноземистого) клинкера;

- сульфоалюминатного (ферритного) клинкера.

По вещественному составуцементы подразделяют на типы, характеризующиеся различным видом и содержанием минеральных добавок. Вид и содержание минеральных добавок регламентируют в нормативных документах на цемент конкретного вида или группу конкретной продукции.

По прочности на сжатие цементы подразделяют на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

По скорости твердения общестроительные цементы подразделяют на:

- нормальнотвердеющие — с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут;

- быстротвердеющие — с нормированием прочности в возрасте 2 сут, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющими, и 28 сут.

По срокам схватывания цементы подразделяют на:

- медленносхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч;

- нормальносхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин до 2 ч;

- быстросхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания менее 45 мин.

Портландцемент

Портландцемент самый распространенный строительный материал. По производству и применению он занимает первое место в мире среди других вяжущих веществ.

Изобретение портландцемента (1824 г.) связано с именем Егора Герасимовича Челиева – начальника мастерских военно-рабочей бригады и Джозефа Аспдина – каменщика из английского города Лидса.

Портландцемент –гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким помолом клинкера с добавкой гипса.

Клинкер –спекшаяся при температуре 1450 ^оС сырьевая смесь из карбоната кальция (в основном известняка) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.). Клинкер получают в основном в виде зерен размером до 40 мм. От его качества зависят свойства цемента: прочность, скорость ее нарастания при твердении, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях. Гипс (двуводный) добавляют при помоле клинкера в количестве 1,5…3,5 до 5% от массы цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SO₃.

Для производства портландцемента имеются неограниченные сырьевые ресурсы: горные породы карбонатные и глинистые породы (известняки, глины, мергели) и побочные продукты промышленности (шлаки, золы, шламы).

Вещественный состав портландцемента.По вещественному составу портландцемент подразделяют на следующие типы:

- портландцемент (без минеральных добавок), обозначение Д0;

- портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %), обозначения максимального содержания добавок в портландцементе: Д5 (до 5 включительно.), Д20 (св. 5 до 20).

Химический состав.Химический состав клинкера определяется содержанием оксидов, % по массе:

СаО 63…66

SiO2 21…24

Al₂O₃ 4…8

Fe₂O₃ 2…4

И их суммарное количество составляет 95-97 %. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить: MgO, SO₃, Na₂O, K₂O и др.

В процессе обжига до спекания из главных оксидов образуются минералы кристаллической структуры, некоторые окислы входят в стекловидную фазу клинкера.

Минералогический состав.Основные минералы клинкера:

Алит – 3CaO·SiO2 (C3S) 45…60 %

Белит - 2CaO·SiO2 (C2S) 20…30 %

Целит - 3CaO·Al2O3(C3A) 4…12 %

4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) 10…20 %

Алит (C₃S)–самый важный минерал клинкера, определяет быстроту твердения, прочность, и другие свойства портландцемента, при гидратации имеет повышенное тепловыделение.

Белит (C₂S) –второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении, при гидратации имеет пониженное тепловыделение.

Содержаниеминералов-силикатовв клинкере портландцемента в сумме составляет около 75 %, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет технические свойства портландцемента. Остальные 25 % составляет промежуточное вещество, заполняющее объем между кристаллами алита и белита.Промежуточное вещество состоит из кристаллов (C₃A), (C₄AF) стекла и второстепенных минералов.

Целит (C₃A) –быстро гидратируется и твердеет, имеет небольшую прочность.

Четырехкальциевый алюмоферрит (C₄AF) по скорости гидратации занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом, поэтому не оказывает определяющего влияния на скорость твердения и тепловыделение при гидратации портландцемента.

Клинкерное стекло состоит в основном из СаО, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O.

Свободный оксид кальция СаО_своб., не более 1 %, находится в свежеобожженном клинкере в виде зерен. При более высоком содержании СаО_своб. может проявиться неравномерное изменение объема цемента при твердении связанное с переходом СаО в Ca(OH)₂ и увеличением объема.

Гранулометрический состав.Средний размер зерен портландцемента составляет примерно 40 мкм. Удельная поверхность цемента (суммарная поверхность зерен, см², в 1 г цемента) – 2500….3000 см²/г. Условно считается, прирост удельной поверхности цемента на каждые 100 см²/г.

Производство портландцемента.

Основные сырьевые материалы: известняки с высоки содержанием карбоната кальция CaCO₃ (мел, плотный известняк, мергель и др.) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы). В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья, примерное соотношение между карбонатной и глинистой составляющими сырьевой смеси 3:1 (т.е. 75 % известняка и 25 % глины). В сырьевую смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулирующие температуру спекания смеси, кристаллизацию минералов клинкера. Недостаточное количество SiO₂ компенсируется введением высококремнеземистых опоки, диатомита, трепела. Содержание Fe₂O₃ повышают введением руды, Al₂O₃ – высокоглиноземистых глин и т. д.

Для производства портландцемента в качестве сырьевых материалов также используют побочные продукты промышленности, например металлургические и топливные шлаки, золы ТЭС, нефелиновый шлам (отход при производстве глинозема).

В качестве топлива в основном применяют природный газ, использование каменного угля и мазута сокращается.

Производство портландцемента состоит из следующих основных операций: добыча сырьевых материалов, подготовка сырьевых материалов и корректирующих добавок, приготовление из них однородной сырьевой смеси заданного состава, обжиг смеси до спекания, измельчение клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом и при необходимости с добавками.

В зависимости от приготовления сырьевой смеси различают способы производства портландцемента: мокрый, сухой и комбинированный. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде; при комбинированном – сырьевую смесь подготавливают по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготавливают гранулы, которые обжигают по сухому способу.

Каждый из способов имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Коррозия цементного камня.Коррозия цементного камня в водных условиях по ряду ведущих признаков делят на три вида:

I вид коррозии– разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее растворимой является гидрооксид кальция Ca(OH)₂, образующийся при гидролизе С₃S. Растворимость гидрооксида кальций невелика (1,3 г СаО на 1 л при 15 ^оС), но из цементного камня под воздействием проточных мягких вод количество растворенного и вымытого гидрооксида кальция непрерывно растет, цементный камень становится пористым и теряет прочность.

Защита от коррозии I вида.Предохранять от коррозии может защитная корка из углекислого газа, образующаяся на поверхности бетона в результате реакции между :

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Растворимость CaCO₃ в воде почти в 100 раз меньше растворимости Ca(OH)₂.

Также повышать стойкость цементного камня в пресных водах можно введением в цеемент гидравлических добавок. Они связывают Ca(OH)₂ в малорастворимые соединения – гидросиликаты кальция:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + (n – 1)H₂O = CaO · SiO₂ · n H₂O

Следующим видом защиты является применение белитового цемента, содержащего ограниченное количество С₃S и выделяющего при твердении минимальное количество свободной гидроокиси кальция.

II вид коррозии –разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукты, которые либо легко растворимы и уносятся фильтрующей через бетон водой, либо выделяются в виде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами, например:

Ca(OH)₂ + MgSO₄ +2H₂O = CaSO₄ · 2H₂O + Mg (OH)₂

Гидрооксид магния – аморфное вещество, не обладает связностью и легко вымывается из камня

или

Ca(OH)₂ + MgСl₂ = CaCl₂ + Mg (OH)₂,

При этом образовавшийся хлорид кальция хорошо растворяется в воде и уносится фильтрующей водой.

III вид коррозии - коррозия цементного камня под воздействием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложением малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводят к разрушению цементного камня.